Blockheizkraftwerk

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Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine Anlage, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung elektrische Energie und Wärme bereitstellt. Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen einem Kilowatt und fünf Megawatt.

Bei einem Blockheizkraftwerk wird die bei hoher Temperatur produzierte Entropie möglichst reversibel über eine Wärmekraftmaschine (WKM) auf die Vorlauftemperatur der Heizung geführt. Die WKM lädt die vom fallenden Entropiestrom freigesetzte Prozessleistung auf den elektrischen Stromkreis um.

Prozessschema

Die in einem Verbrennungsprozess bei hoher Temperatur (T0) produzierte Entropie fliesst durch eine Wärmekraftmaschine (WKM) und gibt einen Teil der von ihr getragenen Energie als Prozessleistung frei. Diese Prozessleistung wird in der WKM auf einen zweiten Energieträger, vorzugsweise die elektrische Ladung, umgeladen. Theoretisch kann die WKM das ganze Temperaturgefälle zwischen der Temperatur in der Brennkammer (T0) und der Vorlauftemperatur der Heiung (Tv) ausnutzen.

Brennkammer

Die Verbrennungstemperatur (T0) hängt hauptsächlich vom Brennstoff und der Sauerstoffzufuhr ab. Die in der Verbrennungskammer freigesetzte und bei konstantem Druck als Wärme abführbare Energie bezeichnet man als Reaktionsenthalpie oder Heizwert. Ein Teil dieser Reaktionsenthalpie geht zusammen mit den Rauchgasen weg. Der Rest fliesst über einen Wärmetauscher an die WKM weg. Indem man die Rauchgase kühlt, kann zusätzlich Wärme direkt ans Heizsystem abgeführt werden.

Wärmekraftmaschine

Die WKM nimmt den Wärmestrom bei der Temperatur T1, die etwas kleiner als die Brennkammertemperatur T0 ist, auf. Die Energiestrom- und die Entropiestromstärke sind über die absolute Temperatur T1 gekoppelt

[math]I_{W1} = T_1 I_{S1}[/math]

Für die bei der Temperatur T2 aus der WKM austretende Wärme gilt der analoge Zusammenhang

[math]I_{W2} = T_2 I_{S2}[/math]

Die theoretisch verfügbare Prozessleistung lässt sich nun über eine einfach Energiebilanz ermitteln

[math]P = I_{W1} - I_{W2} = T_1 I_{S1} - T_2 I_{S2}[/math]

Die im Stationärbetrieb von der WKM pro Zeiteinheit produzierte Entropie ist gleich

[math]\Pi_S = I_{S2} - I_{S1}[/math]

Somit verringert jede Entropieproduktion die zur Verfügung stehende Prozessleistung

[math]P = I_{W1} - I_{W2} = (T_1 -T_2) I_{S1} - T_2 \Pi_S[/math]

Die Prozessleistung ist umso grösser, je höher die verfügbare Temperaturdifferenz und je kleiner die Entropieproduktionsrate ist.

Setzt man einen Verbrennungsmotor als WKM ein, ist die Brennkammer teil der WKM. Weil in diesem Fall die Wärmeleitung von der Brennkammer zur eigentlichen WKM entfällt, ist die Eingangstemperatur T1 der WKM identisch mit der Verbrennungstemperatur T0. Damit erhöht sich das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle entsprechend und ein Ort der Entropieproduktion entfällt.

Heizung

Je tiefer die Vorlauftemperatur Tv der Heizung ist, desto mehr Temperaturgefälle steht der WKM zur Verfügung. Eine tiefen Vorlauftemperatur hat den zusätzlichen Vorteil, dass man den abziehenden Rauchgasen noch viel Wärme entziehen kann. Lässt man dabei den Wasserdampf kondensieren, gewinnt man auch noch die freigesetzte Kondensationsenthalpie. Damit die Vorlauftemperatur tief gehalten werden kann, ist die Wärme über eine möglichst grosse Fläche im zu beheizenden Gebäude zu verteilen.

Kombinationsmöglichkeiten

Brennstoffe

Als Brennstoffe kommen feste, flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe in Frage, wobei Fremdstoffe (Wasser, Mineralien) den Heizwert mindern und der Gehalt an Kohlenstoff den CO2-Ausstoss der Rauchgase bestimmt. Die Verbrennung findet immer unter Zufuhr von atmosphärischer Luft statt. Die nachfolgenden Angaben sind spezifisch, beziehen sich also auf ein Kilogramm Brennstoff.

Brennstoff Enthalpie CO2-Ausstoss Temperatur
Buchenholz 14.4 MJ/kg
Holzpellets 16.6 MJ/kg
Braunkohle 20 MJ/kg
Steinkohle 30 MJ/kg
Heizöl 42 MJ/kg
Erdgas 44 MJ/kg
Wasserstoff 120 MJ/kg

Wärmekraftmaschine

Morphologischer Kasten

Kopplung mit Wärmepumpe

Bestehende Anlagen