Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), auch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen genannt, sind hocheffiziente Energiesysteme, die gleichzeitig Strom und Nutzwärme aus einer einzigen Brennstoffquelle erzeugen. Einer der Hauptvorteile von KWK-Systemen ist ihre Fähigkeit, Abwärme zurückzugewinnen und zu nutzen, die sonst bei der konventionellen Stromerzeugung verschwendet würde. Als KWK-Lieferant bin ich mit den verschiedenen Wärmerückgewinnungsmethoden in KWK-Systemen bestens vertraut. In diesem Blog werde ich näher auf diese Methoden eingehen, um Ihnen zu helfen, zu verstehen, wie Sie die Effizienz Ihrer KWK-Anlage maximieren können.
1. Abgaswärmerückgewinnung
Die Abgase der Antriebsmaschine in einem KWK-System, beispielsweise einer Gasturbine oder einem Verbrennungsmotor, transportieren eine erhebliche Wärmemenge. Die Rückgewinnung dieser Wärme ist eine der gebräuchlichsten und effektivsten Methoden zur Verbesserung der Gesamteffizienz des KWK-Systems.
1.1 Wärmetauscher
Wärmetauscher sind die Hauptausrüstung für die Abgaswärmerückgewinnung. Sie übertragen die Wärme der heißen Abgase auf ein Arbeitsmedium wie Wasser oder Dampf. Es gibt verschiedene Arten von Wärmetauschern, darunter Rohrbündelwärmetauscher und Plattenwärmetauscher.
Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus einem Mantel (einem großen zylindrischen Gefäß) und einem Rohrbündel. Die Abgase strömen durch die Rohre, während das Arbeitsmedium durch die Hülle strömt. Durch die Rohrwände wird Wärme von den Abgasen auf das Arbeitsmedium übertragen. Plattenwärmetauscher hingegen bestehen aus einer Reihe übereinander gestapelter dünner Platten. Die Abgase und das Arbeitsmedium strömen durch abwechselnde Kanäle zwischen den Platten, und die Wärmeübertragung erfolgt über die Platten.
Die zurückgewonnene Wärme kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, beispielsweise zur Raumheizung, Warmwasserbereitung oder für industrielle Prozesse. Beispielsweise kann in einem Gewerbegebäude das vom Wärmetauscher erzeugte Warmwasser für Heizkörper zur Beheizung des Innenraums genutzt werden. In einer industriellen Umgebung kann der erzeugte Dampf in Herstellungsprozessen verwendet werden, beispielsweise in einer Lebensmittelverarbeitungsanlage zum Kochen oder Sterilisieren.
1.2 Abwärmekessel
Abhitzekessel sind speziell darauf ausgelegt, aus der Wärme der Abgase Dampf zu erzeugen. Sie werden häufig in größeren KWK-Anlagen, insbesondere mit Gasturbinen, eingesetzt. Die Abgase gelangen in den Abhitzekessel, wo sie in den Kesselrohren Wasser erhitzen. Wenn das Wasser erhitzt wird, wird es zu Dampf, der zur Stromerzeugung in einer Dampfturbine (in einem Kombi-KWK-System) oder für andere industrielle Anwendungen verwendet werden kann.
2. Kühlwasser-Wärmerückgewinnung
Das in KWK-Anlagen eingesetzte Kühlwasser enthält neben der Abgaswärme auch erhebliche Wärmemengen. Die Antriebsmaschine in einem KWK-System, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, erzeugt während des Betriebs eine große Menge Wärme. Kühlwasser wird verwendet, um diese Wärme abzuleiten und den Motor auf einer optimalen Betriebstemperatur zu halten.
2.1 Absorptionskältemaschinen
Absorptionskältemaschinen können die Wärme des Kühlwassers nutzen, um Kaltwasser für Klimatisierungszwecke zu erzeugen. Eine Absorptionskältemaschine funktioniert nach einem anderen Prinzip als eine herkömmliche Dampf-Kompressionskältemaschine. Es nutzt eine Wärmequelle (in diesem Fall das heiße Kühlwasser), um den Kühlkreislauf anzutreiben.
Zu den Grundkomponenten einer Absorptionskältemaschine gehören ein Absorber, ein Generator, ein Kondensator und ein Verdampfer. Das heiße Kühlwasser wird zum Erhitzen einer Lösung im Generator verwendet, wodurch ein Kältemitteldampf freigesetzt wird. Der Kältemitteldampf strömt dann durch den Kondensator, wo er zu einer Flüssigkeit kondensiert. Das flüssige Kältemittel gelangt dann in den Verdampfer, wo es verdampft und dem zu kühlenden Wasser Wärme entzieht. Das gekühlte Wasser kann dann durch die Klimaanlage in einem Gebäude zirkuliert werden.
2.2 Fernwärme
Die Wärme des Kühlwassers kann auch für Fernwärmesysteme genutzt werden. Fernwärme ist ein System, bei dem Wärme an einem zentralen Ort erzeugt und über ein Rohrnetz an mehrere Gebäude in einem Bezirk verteilt wird. Das heiße Kühlwasser aus der KWK-Anlage kann direkt im Fernwärmenetz genutzt oder zur Erwärmung einer Sekundärflüssigkeit genutzt werden, die dann im Netz zirkuliert.
3. Wärmerückgewinnung aus Schmieröl
Schmieröl wird in der Antriebsmaschine eines KWK-Systems verwendet, um Reibung und Verschleiß zwischen beweglichen Teilen zu reduzieren. Während des Betriebs erwärmt sich das Schmieröl. Durch die Rückgewinnung der Wärme aus dem Schmieröl kann die Gesamteffizienz des KWK-Systems weiter verbessert werden.
Die Wärme des Schmieröls kann über einen Wärmetauscher zurückgewonnen werden. Ähnlich wie beim Abgaswärmetauscher strömt das heiße Schmieröl auf einer Seite des Wärmetauschers und auf der anderen Seite ein Arbeitsmedium (z. B. Wasser). Die Wärme wird vom Schmieröl auf das Arbeitsmedium übertragen.
Die zurückgewonnene Wärme kann zur Vorwärmung des Kraftstoffs oder der Verbrennungsluft in der Antriebsmaschine genutzt werden. Durch Vorwärmen des Kraftstoffs kann dessen Verbrennungseffizienz verbessert werden, während durch Vorwärmen der Verbrennungsluft der Gesamtwärmewirkungsgrad des Motors gesteigert werden kann.
4. Vorteile der Wärmerückgewinnung in KWK-Systemen
Der Einsatz von Wärmerückgewinnungsmethoden in KWK-Anlagen bietet mehrere Vorteile.
4.1 Energieeffizienz
Durch die Rückgewinnung und Nutzung der Abwärme können KWK-Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen Stromerzeugungsanlagen deutlich höhere Gesamtenergieeffizienzen erzielen. In einem konventionellen Kraftwerk geht ein großer Teil der im Brennstoff enthaltenen Energie als Wärme verloren. In einem KWK-System mit effektiver Wärmerückgewinnung wird die Abwärme sinnvoll genutzt, wodurch die Menge an zusätzlichem Brennstoff reduziert wird, die zur Deckung des Wärme- und Strombedarfs benötigt wird.
4.2 Kosteneinsparungen
Eine höhere Energieeffizienz führt zu Kosteneinsparungen. Da zur Erzeugung der gleichen Wärme- und Strommenge weniger Brennstoff benötigt wird, sinken die Betriebskosten der KWK-Anlage. Darüber hinaus kann es in einigen Regionen Anreize oder Subventionen für den Einsatz energieeffizienter KWK-Systeme geben, wodurch die finanzielle Belastung des Nutzers weiter verringert wird.
4.3 Vorteile für die Umwelt
KWK-Anlagen mit Wärmerückgewinnung können den Ausstoß von Treibhausgasen deutlich reduzieren. Durch den Einsatz von weniger Kraftstoff zur Erzeugung der gleichen Energiemenge wird die Menge an Kohlendioxid und anderen Schadstoffen, die in die Atmosphäre gelangen, reduziert. Damit sind KWK-Anlagen eine umweltfreundliche Möglichkeit zur Deckung des Energiebedarfs.
5. Anwendungen der Wärmerückgewinnung in verschiedenen Branchen
Die Wärmerückgewinnung in KWK-Anlagen kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden.
5.1 Herstellung
In der produzierenden Industrie können KWK-Anlagen mit Wärmerückgewinnung sowohl Strom als auch Wärme für Fertigungsprozesse bereitstellen. Beispielsweise kann in der Textilindustrie der bei der Abgaswärmerückgewinnung erzeugte Dampf für Färbe- und Ausrüstungsprozesse genutzt werden. In der chemischen Industrie kann die Wärme für Destillations- und Reaktionsprozesse genutzt werden. Einige der in der chemischen Industrie verwendeten Chemikalien, wie zBIBP | CAS 25155 - 25 - 3 | Bis(tert-butyldioxyisopropyl)benzol,DTAP | CAS 10508 - 09 - 5 | Di-tert-amylperoxid, UndDibenzoylperoxiderfordern bei ihrer Herstellung bestimmte Temperaturbedingungen, und die zurückgewonnene Wärme kann zur Aufrechterhaltung dieser Bedingungen genutzt werden.
5.2 Gewerbebauten
Gewerbliche Gebäude wie Büros, Hotels und Krankenhäuser können von KWK-Anlagen mit Wärmerückgewinnung profitieren. Die zurückgewonnene Wärme kann zur Raumheizung, Warmwasserbereitung und Klimatisierung genutzt werden. Beispielsweise kann in einem Hotel das durch Wärmerückgewinnung erzeugte Warmwasser für die Gästezimmer genutzt werden, während das gekühlte Wasser aus Absorptionskältemaschinen zur Klimatisierung der öffentlichen Bereiche genutzt werden kann.
5.3 Fernenergiesysteme
Fernwärmesysteme können KWK-Systeme mit Wärmerückgewinnung integrieren, um mehrere Gebäude in einem Bezirk mit einer zuverlässigen und effizienten Wärme- und Stromquelle zu versorgen. Die aus der KWK-Anlage gewonnene Wärme kann über ein Fernwärmenetz verteilt werden, während der Strom lokal genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann.
Abschluss
Als KWK-Anbieter weiß ich, wie wichtig die Wärmerückgewinnung für die Maximierung der Effizienz und Leistung von KWK-Systemen ist. Die verschiedenen Wärmerückgewinnungsmethoden, darunter Abgaswärmerückgewinnung, Kühlwasserwärmerückgewinnung und Schmierölwärmerückgewinnung, bieten erhebliche Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Kosteneinsparungen und Umweltschutz.
Wenn Sie daran interessiert sind, ein KWK-System mit effektiver Wärmerückgewinnung in Ihrer Anlage zu implementieren, sei es ein Gewerbegebäude, eine Industrieanlage oder ein Fernenergiesystem, empfehle ich Ihnen, sich für eine ausführliche Beratung mit uns in Verbindung zu setzen. Basierend auf Ihrem spezifischen Wärme- und Strombedarf können wir Ihnen maßgeschneiderte Lösungen anbieten. Lassen Sie uns zusammenarbeiten, um eine nachhaltigere und kostengünstigere Energiezukunft zu erreichen.
Referenzen
- Cullinane, K. & Shah, N. (2012). Optimale Auslegung von Kraft-Wärme-Kopplungssystemen für Industriestandorte. Angewandte Energie, 98, 266 - 277.
- Lund, H. (2006). Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): Ein Überblick über Umwelt-, Leistungs- und Wirtschaftsaspekte. Energie, 31(14), 2873 - 2890.
- Mancarella, P. (2014). Kraft-Wärme-Kopplung: Ein Überblick über Technologien, Betrieb und Optimierung. Rezensionen zu erneuerbaren und nachhaltigen Energien, 39, 53 - 72.