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Kraft-Wärme-Kopplung Bei einer mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) (in der Schweiz auch: Wärme-Kraft-Kopplung) betriebenen Energiewandlungsanlage wird – neben der bei der chemischen oder physikalischen Umwandlung von Energiequellen entstehenden mechanischen oder elektrischen Arbeit – auch die Abwärme zu weiten Teilen genutzt. Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit ca. 10 Jahren kommen zunehmend etwa waschmaschinengroße, so genannte Mikro-KWK-Anlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. Die mit 700 MW elektrischer Leistung zur Zeit größte KWK-Anlage Europas steht in England. Damit stehen heute für das gesamte Spektrum des Wärmebedarfs KWK-Lösungen zur Verfügung. Im Gegensatz zu thermischen Wärmekraftwerken, die nur auf Stromproduktion ausgelegt sind, wird bei KWK-Anlagen durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und Wärme ein sehr viel höherer Nutzungsgrad (bis zu 90 Prozent) erreicht, wodurch Brennstoff eingespart werden kann, wenn Abnehmer der Wärme zur Verfügung stehen, wie z. B. in Form eines Fernwärmenetzes. Bei den mit Wasserdampf als Betriebsmedium arbeitenden Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung - das sind in der Regel Entnahme-Kondensationsanlagen - geht diese Steigerung des Nutzungsgrades allerdings mit einer Verringerung der Stromproduktion einher, da die Enthalpiedifferenz des Wasserdampfes nicht vollständig in der Dampfturbine genutzt werden kann. Im Gegensatz dazu wird bei Kraftwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung die Restwärme über den Kondensator und Kühlturm an die Umwelt abgegeben. Im Vergleich zu den derzeit besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erzielen KWK-Anlagen Primärenergieeinsparungen von ca. 10 bis 25 %.
Das Bild zeigt
vereinfacht das Prinzip der Entnahme. Der nach dem Mitteldruckteil MD der
Turbine, also vor dem Niederdruckteil ND abgezweigte Dampf strömt in den
Heizkondensator HK, wo er sich unter Wärmeabgabe an den Fernwärmekreislauf
(Temperaturniveau etwa 100°C) verflüssigt. Von dort wird das Kondensat dem
Speisewasser-kreislauf zugeführt. Der restliche Dampf
arbeitet im Niederdruckteil und wird dann im Kondensator Ko bei ca. 25 °C
(abhängig vom Umgebungszustand) verflüssigt und über die Kondensatpumpe KoP dem
(hier nicht abgebildeten) Speisewasserbehälter zugeführt. Die rechte Bildseite
zeigt das zugehörige idealisierte T-s-Diagramm Bisherige Technik
Bei der
Kraft-Wärme-Kopplung wird ein Teil des entstehenden Dampfes in einem Kraftwerk
für Heizzwecke ausgekoppelt. Bisherige Brennstoffe Das Prinzip der KWK kann mit jedem Brennstoff und jeder Energiequelle mit einem Temperaturniveau ab ca. 210 °C genutzt werden. In Betracht kommen neben fossilen Energien wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl auch erneuerbare Energien wie Biogas, Klärgas, Deponiegas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie und Geothermie sowie Siedlungsabfälle (Müllverbrennung und Deponiegas) und Wasserstoff (Wasserstoffwirtschaft) genauso wie die Kernenergie. Das Kernkraftwerk Greifswald (auch Kernkraftwerk Lubmin genannt) speiste bis 1990 das Fernwärmenetz von Greifswald. Bisherige Auslegung Es wird zwischen strom- und wärmegeführter Auslegung von KWK-Anlagen unterschieden, je nach der Priorität, die einer der beiden Energieformen zugemessen wird. Stromgeführte Anlagen optimieren den Stromertrag, wärmegeführte Anlagen den Wärmeertrag. Die höchste Effizienz wird mit wärmegeführter Auslegung erzielt, weil dabei die geringsten Energieverluste entstehen, so dass sie den Normalfall darstellt. Auch bei einer stromgeführten Fahrweise können jedoch mittels eines Pufferspeichers Wärmeverluste vermieden werden. Die gewonnene Wärme wird als warmes Wasser oder Wasserdampf über isolierte Rohrleitungen zur Gebäudeheizung oder für industrielle Zwecke (Prozesswärme) verwendet. Eine zunehmend verbreitete Variante sind so genannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Dabei handelt es sich um kleine bis mittelgroße KWK-Anlagen auf Basis von Motoren oder Turbinen. Während bei diesen Anlagen die Wärmeversorgung auf ein bestimmtes Objekt oder auf die nähere Umgebung (z.B. einen Wohn-"Block") beschränkt ist, dienen die größeren Heizkraftwerke zur flächigen Fernwärme-Versorgung oder zur Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie. Bei Großanlagen für die Fernwärmeversorgung sind einerseits die Leitungsverluste wesentlich höher als bei Blockheizkraftwerken, wodurch die Effizienz des Energieeinsatzes sinkt. Andererseits steigt mit zunehmender Leistung der Anlagen die Stromkennzahl (also das Verhältnis von Strom- zu Wärmeerzeugung) und somit die Exergieausbeute, was wiederum die Effizienz erhöht. Bisherige KWK-Anlagen können unter anderem sein:
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Dampfturbinen-, Von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung spricht man, wenn die Anlage zusätzlich Kälte erzeugen kann. Dabei wird die Nutzwärme des Prozesses genutzt, um eine Absorptionskältemaschine anzutreiben. Trotz der deutlich höheren Investion im Vergleich zu einer Kompressorkältemaschine, kann die KWKK-Anlage wirtschaftlich betrieben werden, weil durch die Wärmenutzung zur Klimatisierung im Sommer die Laufzeiten erhöht werden. Bisherige Fördermaßnahmen in Deutschland 1. KWK-Gesetz Mit dem Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) werden in der Bundesrepublik Deutschland der Erhalt, die Modernisierung und der Ausbau von KWK-Anlagen gefördert, die mit fossilen Energien betrieben werden. Für modernisierte Anlagen, die bis spätestens Ende 2005 wieder in Betrieb genommen wurden, wird bis 2010 ein Bonus auf den eingespeisten Strom von durchschnittlich ca. 1,65 Cent pro Kilowattstunde vergütet. Durch die Modernisierung wurde die Effizienz alter KWK-Anlagen beträchtlich erhöht. Ohne Modernisierung erhalten bestehende KWK-Anlagen einen geringeren Bonus, der die frühzeitige Stilllegung von Anlagen verhindern soll. Die Betreiber sehr kleiner KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis zu 50 kW erhalten für 10 Jahre einen Zuschlag von 5,11 Cent pro in das Stromnetz eingespeister Kilowattstunde, sofern die Anlage bis Ende 2008 in Betrieb genommen wird. Kleine KWK-Anlagen bis 2 MW elektrischer Leistung erhalten bis 2010 eine zusätzliche Vergütung von derzeit 2,25 ct/kWh (Stand 2006). Durch eine verstärkte Nutzung von KWK-Anlagen soll eine weitere Minderung der Kohlendioxid-Emission erreicht werden. Das KWK-Gesetz trat am 1. April 2002 in Kraft. 2. Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) In dem 2004 novellierten Erneuerbare-Energien-Gesetz (§ 8, Absatz 3) wird die Nutzung der Abwärme bei Stromerzeugung aus Biomasse durch einen KWK-Zuschlag von 2 Cent pro Kilowattstunde auf die Einspeisevergütung angeregt, zu deren Zahlung der Betreiber des vorgelagerten Stromnetzes verpflichtet ist. Außerdem wird ein weiterer so genannter Innovationsbonus von 2 Cent pro Kilowattstunde bei Einsatz bestimmter KWK-Technologien (Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen, Mehrstoffgemisch-Anlagen, insbesondere Kalina-Cycle-Anlagen, oder Stirling-Motoren) gezahlt. Diese Zuschlags- und Bonuszahlungen werden indirekt auf alle Endverbraucher umgelegt. 3. Ökosteuer Für Erdgas, Heizöl und Flüssiggas, das in KWK-Anlagen mit einem Jahresnutzungsgrad von mindestens 70% eingesetzt wird, wird die Energiesteuer ehemals "Mineralölsteuer" erstattet. Für Strom aus KWK-Anlagen bis zu 2 MW elektrischer Leistung, der vom Betreiber der Anlage im "räumlichen Zusammenhang" verbraucht wird, muss keine Stromsteuer (2,05 Cent/ kWh) entrichtet werden.
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