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Anlagentypen

Es gibt verschiedene KWK-Anlagentypen. Die Wahl der geeigneten Anlage richtet sich vornehmlich nach dem Anwendungsbereich.

Welche Technologien für welchen Anwendungsbereich?
Industrielle KWK-Kraftwerke: Gasturbinen-Kraftwerk, Dampfkraftwerk, Gas- und Dampfkraftwerk (GuD), Verbrennungsmotoren.
Kompakte KWK-Anlagen: Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotor-, Stirlingmotor- oder Brennstoffzellen-Technologie. Diese können nach ihrer elektrischen Leistung unterteilt werden in:
Nano-BHKW (elektrische Leistung bis zu 2,5 Kilowatt): für Einfamilienhäuser
Mikro-BHKW (elektrische Leistung bis zu 15 Kilowatt): für Mehrfamilienhäuser, Gewerbe, Hotels, Schwimmbäder, Krankenhäuser
Mini-BHKW (elektrische Leistung bis zu 50 Kilowatt): für Siedlungen und Quartiere
Gasturbinen-Kraftwerk
Prinzip: Ein über Gasturbinen angetriebener Generator produziert Strom und die Gasturbinenabgastemperatur von 450 - 600 °C kann danach für Produktionsprozesse in der Industrie eingesetzt werden. Dabei wird durch einen nachgeschalteten Abhitzekessel Dampf oder Heißwasser erzeugt, was über ein entsprechendes Wärmenetz an mögliche Wärmeverbraucher verteilt werden kann.
Einsatzspektrum: 100 kWel bis 600 MWel
Stromkennzahl: Pel/Pth: 0,3 - 0,7
Hauptenergieträger: Erdgas und Heizöl
Zu beachten: Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden und machen gegebenenfalls den Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig.
Vorteile: Gute Regulierbarkeit; Preis
Nachteile: Keine festen Energieträger einsetzbar; niedriger elektrischer Wirkungsgrad
Dampfkraftwerk
Prinzip: Mit einem Dampfkessel wird durch die Verbrennung eines Brennstoffs Dampf produziert, der anschließend mit Hilfe einer Dampfturbine einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die verbleibende thermische Energie wird danach genutzt, um Heißwasser zur Wärmeversorgung zu erzeugen. Alternativ wird der Dampf direkt über Dampfschienen zum Verbraucher geschickt. Für die Einspeisung in ein Fernwärmenetz eignet sich dabei ein Temperaturniveau von bis zu ca. 120 °C.
Einsatzspektrum: 100 kWel bis 600 MWel
Stromkennzahl: Pel/Pth: 0,3 - 2,5
Mögliche Energieträger: Alle verfügbaren flüssigen, festen oder gasförmigen Brennstoffe; außerdem ist eine Nutzung von Biomasse sowie Abfällen und somit gegebenenfalls eine Förderung nach EEG möglich.
Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden. Gegebenenfalls ist dafür der Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig (vor allem bei der Verbrennung von Festbrennstoffen).
Vorteile: Feste, flüssige und gasförmige Energieträger einsetzbar; Hohe Stromkennzahlen erreichbar (bei Kondensationsanlagen)
Nachteile: Hoher Platzbedarf; Kosten
Dampfkraftwerk Sonderform: Organic Rankine Cycle (ORC)
Prinzip: Der ORC-Prozess ist ein Dampfturbinenprozess, bei dem anstelle von Wasserdampf ein organisches Medium als Arbeitsmittel dient. Der Vorteil dabei ist die Verdampfung bei ca. 80 °C.
Mögliche Arbeitsmittel: Propan, Butan, Pentan
Notwendige Arbeitstemperaturen für Stromerzeugung: über 130 °C
Energieträger: Geothermie, Biomasse, Abwärme
Gas- und Dampfkraftwerk (GuD)
Prinzip: Hier liegt das gleiche Prinzip wie beim Gasturbinen-Kraftwerk vor, allerdings wird der im Abhitzekessel erzeugte Dampf mittels Dampfturbine nochmals zur Stromerzeugung verwendet. Dadurch ist eine Steigerung der Stromkennzahl Pel/Pth im Bereich von 0,7 - 2,7 möglich.
Einsatzspektrum:100 kWel bis 600 MWel
Hauptenergieträger: Erdgas und Heizöl
Zu beachten: Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden und machen gegebenenfalls den Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig.
Vorteile: Hoher elektrischer Wirkungsgrad; Hohe Brennstoffausnutzung
Nachteile: Schlechter Teillastbetrieb; Kosten
Verbrennungsmotor-BHKW
Prinzip: Beim Verbrennungsprozess in einem Otto- oder Dieselmotor wird ein Kolben in Bewegung versetzt. Diese Drehbewegung treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die frei werdende Wärme des Verbrennungsprozesses erwärmt zum einen das Kühlwasser und erzeugt zum anderen ein heißes Abgas. Beide Wärmeströme werden mit Hilfe von Wärmetauschern an das Heizsystem übertragen. Die Abwärmetemperatur beträgt dabei bis zu 100 °C.
Einsatzspektrum: 1 kWel bis 50 kWel (im Industriemaßstab werden dabei mehrere Motoren in einer Kaskade bis zu mehreren MWel verschaltet)
Stromkennzahl: Pel/Pth: 0,3 - 1,2
Mögliche Energieträger:
Fossil: Heizöl, Erdgas, Flüssiggas, Kokereigas
Erneuerbar: Biogas, Klärgas, Deponiegas
Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
Vorteile: Gutes Teillastverhalten; Gute Brennstoffausnutzung
Nachteile: Keine festen Energieträger einsetzbar
Stirling-BHKW
Prinzip: Der Stirlingmotor hat eine ähnliche Funktionsweise wie der Verbrennungsmotor, allerdings findet keine Verbrennung innerhalb des Motors statt. Die Wärme wird stattdessen genutzt, um wechselseitig die Luft von zwei verbundenen Zylindern zu erwärmen. Durch die abwechselnde Erwärmung und Abkühlung der einzelnen Zylinder ändern sich die dazugehörigen Luftvolumina, was den Kolben in Bewegung versetzt und dadurch mechanische Energie erzeugt.
Einsatzspektrum: 1 bis 100 kWel
Stromkennzahl: Pel/Pth: 0,15 - 0,3
Mögliche Energieträger: Jegliche Wärmequelle, meist Erdgas oder Holz
Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
Vorteile: Jegliche Wärmequellen nutzbar; Geringe Emissionen erreichbar
Nachteile: Nischenprodukt; niedrige Stromkennzahlen
Brennstoffzellen-BHKW
Prinzip: Hierbei handelt es sich um eine KWK-Technologie ohne Verbrennungsvorgang. Diese basiert auf dem Prinzip eines elektro-chemischen Prozesses, bei dem unter der Bildung von Wärme und Strom aus Sauerstoff und Wasserstoff Wasser entsteht: Der Wasserstoff gibt an der Anode Elektronen ab und wird in H+- Ionen (Protonen) überführt, die anschließend durch die Membran, die Anoden- und Kathodenraum trennt, zur Kathode wandern. Die abgegebenen Elektronen wandern über einen Stromleiter zur Kathode und ionisieren den Sauerstoff. Dabei fließt Strom, der genutzt werden kann. Gleichzeitig reagiert Sauerstoff mit den Protonen zu Wasser. Diese Reaktion ist exotherm, d. h. es entsteht Wärme, die an ein Heizsystem übertragen werden kann.
Um die Energiemengen zu erhöhen, werden die Brennstoffzellen zu sogenannten „Stacks“ verbaut. Hauptsächlich werden die Brennstoffzellen mit Erdgas betrieben. Durch einen internen Reformer wird das Erdgas (CH4) mit heißem Wasserdampf zu H2 überführt und anschließend in die Brennstoffzelle gebracht.
Einsatzspektrum: 1 bis 20 kWel
Stromkennzahl: Hohe Stromkennzahlen Pel/Pth erreichbar: 0,5 - 6
Mögliche Energieträger: Erdgas (inkl. Reformer), H2, Methanol, Klärgas/Biogas (befindet sich im Forschungsstadium)
Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
Vorteile: Sehr hohe Stromkennzahlen erreichbar; Geringe Emissionen
Nachteile: Nischenprodukt; Kosten