Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen (PDF)

HAW Burgenland Department Energie und Umwelt 6 BRENNSTOFFZELLEN UND KRAFT-WÄRME- KOPPLUNG 6.1 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung Unter Kraft-Wärme-Kopplung versteht man die simultane Umwandlung von Primär- oder Sekundärenergieträgern in mechanische (...

HAW Burgenland Department Energie und Umwelt 6 BRENNSTOFFZELLEN UND KRAFT-WÄRME- KOPPLUNG 6.1 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung Unter Kraft-Wärme-Kopplung versteht man die simultane Umwandlung von Primär- oder Sekundärenergieträgern in mechanische (bzw. folglich elektrische) und thermische Energie mittels eines thermodynamischen oder elektrochemischen Prozesses in einer technischen Anlage. Als Möglichkeit zu einer gekoppelten Umwandlung stehen z.B. die folgende Technogien zur Verfügung: Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotoren Gasturbinenanlagen mit nachgeschaltetem Abhitzekessel Heizkraftwerke mit Dampfkessel und Dampfturbinen/Dampfmotoren Brennstoffzellen Zu den typischen Einsatzgebieten von Kraft-Wärme Kopplungsanlagen zählen Anlagenbetreiber, bei denen entweder verwertbare Energieträger aus Prozessen anfallen, wie z.B. Klär-, Deponiegas oder Abwärme aus Fertigungsprozessen sowie Produzenten bzw. Abnehmer, die möglichst zeitgleich thermische und mechanische (elektrische) Energie benötigen, wie z.B. kommunale Energieversorgungsunternehmen, Industrie- und Gewerbebetriebe, Großabnehmer wie Krankenhäuser oder Einkaufszentren oder kommunale Klärwerke und Reststoffdeponien. Der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bietet Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz bzw. Primärenergieeinsatz im Vergleich zur getrennten Umwandlung in thermische bzw. mechanische (elektrische) Energie. Diese energetischen Vorteile werden in den nachfolgenden Abbildungen anhand unterschiedlicher Umwandlungstechnologien erläutert. Abbildung 6-1 zeigt den Prozessschritt bei der Umwandlung in thermische Energie auf Basis eines Verbrennungsprozesses, wie er z.B. in einem Heizkessel stattfindet. Nach der Verbrennung ein einer Brennkammer werden die heißen Gase in einen Warmwasser- oder Dampfkessel geleitet, in dem die Energie aus den heißen Gasen auf das Kesselwasser übertragen wird bzw. für die Dampferzeugung genutzt wird. Abbildung 6-1: Prozessschritte bei der Nutzwärmeerzeugung Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 199 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Eine Umwandlung von Primärenergie in thermische bzw. mechanische und folglich elektrische Energie (siehe Abbildung 6-2) ist mit unterschiedlichen Anlagentechnologien möglich. Beim Dampfkraftwerk erfolgt die Brennstoff- Konversion in Brennkammern, ähnlich zu den zuvor beschriebenen Prozessen zur Nutzwärmeerzeugung. Der im Dampfkessel produzierte Dampf wird über Dampfturbinen oder sonstigen Expansionsmaschinen (Dampfmotor oder Dampfschraubenmotor) in mechanische Energie und folglich im Generator in elektrische Energie umgewandelt. In einer Gasturbine wird das in der Brennkammer erzeugte Heißgas in der Turbine direkt genutzt. Im Verbrennungsmotor erfolgt eine interne Verbrennung in den einzelnen Zylindern. Weitere Möglichkeiten der Umwandlung bestehen in einer anaeroben Vergärung (z.B. Biogasproduktion) oder Vergasung (Zielfraktion Produktgas) bzw. Pyrolyse (Zielfraktion Pyrolyseöl), deren Zielfraktionen nach entsprechender Aufbereitung in Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren umgewandelt werden können. Als letzte Möglichkeit ist in Abbildung 6-2 die Umwandlung von Brennstoffen in einer Brennstoffzelle dargestellt. In diesem Fall erfolgt die Umwandlung ohne vorgeschalteten Konversionsprozess in direkter Weise. Bei der Brennstoffzelle ist das Endprodukt elektrische Energie, ohne dass wie bei den vorangehenden Prozessen vorerst mechanische Energieerzeugt wird, die dann mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Wird bei den gezeigten Prozessen zusätzlich zur Umwandlung in elektrische Energie auch Nutzwärme ausgekoppelt, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung. Die kombinierte Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie erfolgt bei einzelnen Technologien zu Lasten der Stromerzeugung (elektrischer Wirkungsgrad sinkt), erhöht jedoch den Gesamtwirkungsgrad, der sich aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad zusammensetzt. Insgesamt kommt es bei Kopplungstechnologien zur Primärenergieeinsparung, vorausgesetzt, dass für die beiden Endenergieträger elektrische und thermische Energie auch Abnehmer zur Verfügung stehen. Abbildung 6-2: Prozessschritte bei der Erzeugung von elektrischer Energie und Kraft- Wärme-Kopplung Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 200 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Die Primärenergieeinsparung wird anhand des Beispiels einer Hausenergieerzeugung mit Blockheizkraftwerk (BHKW) mittels Brennstoffzellen in Abbildung 6-3 erläutert. Dem Brennstoffzellen- BHKW gegenübergestellt ist die getrennte Erzeugung von elektrischer Energie in einem kalorischen Kraftwerk ohne Wärmenutzung (Kondensationskraftwerk mit Erdgas betrieben) und thermischer Energie mittels Gasheizkessel (Abbildung 6-3, rechts). Beim Brennstoffzellen- BHKW erfolgt die Umwandlung von Primärenergie in elektrische und Wärmeenergie beim Endverbraucher. Die Brennstoffzelle hat einen thermischen Wirkungsgrad von 50% und einen elektrischen Wirkungsgrad von 40%. Der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle beträgt 90%. Dem zufolge können mit der Brennstoffzelle 50 Energieeinheiten Wärme und 40 Energieeinheiten elektrische Energie dem Verbraucher bereitgestellt werden. Unter Berücksichtigung der Umwandlungsverluste liegt der Primärenergiebedarf für den Betrieb der Brennstoffzelle bei 100 Energieeinheiten. Um eine Vergleichbarkeit der beiden Systeme herzustellen, werden im Fall der getrennten Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie im zweiten dargestellten Fall dem Verbraucher ebenso 50 Energieeinheiten Wärme und 40 Energieeinheiten bereitgestellt. Bei der getrennten Erzeugung von Wärme mittels Gasbrennwertgerät geht man im dargestellten Fall von einem Wirkungsgrad 95% aus. Dementsprechend wird für den Betrieb des Gasbrennwertgeräts bei einer Produktion von 50 Energieeinheiten Wärme ein Primärenergieinput von 53 Energieeinheiten Primärenergie benötigt. Das Kondensationskraftwerk weist einen elektrischen Wirkungsgrad von 42%, bezogen auf den Primärenergieinput auf. Zusätzlich kommt es im dargestellten Fall zu Verteilverlusten der elektrischen Netze von 2% vom Kraftwerk bis zum Endverbraucher. Um eine elektrische Energiemenge von 40 Energieeinheiten beim Endverbraucher bereitzustellen, benötigt man für den Betrieb des Kraftwerks einen Primärenergieinput von 100 Energieeinheiten. Insgesamt ergibt sich aus der getrennten Bereitstellung ein Primärenergiebedarf von 153 Energieeinheiten. Daraus ergibt sich eine Primärenergieeinsparung des Brennstoffzellen BHKW im Vergleich zur getrennten Erzeugung mittels Kondensationskraftwerk und Gaskessel von 53 Energieeinheiten. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 201 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-3: Vergleich BHKW und getrennte Erzeugung von elektr. Energie und Wärme Die nachfolgende Abbildung 6-4 zeigt das Leistungs- und Wirkungsgradspektrum unterschiedlicher Technologien. Anzumerken ist bei dieser Zusammenstellung, dass für die Prozesse unterschiedliche Rahmenbedingungen der jeweiligen Einsatzbereiche ausschlaggebend sind, die schlussendlich erheblichen Einfluss auf den Analgenwirkungsgrad haben. So sind z.B. Stirling- Motoren und ORC- Prozesse, die am unteren Ende der Wirkungsgradskala angesiedelt sind, typische Prozesse zur Verwertung von Niedertemperaturwärme (z.B. industrielle Abwärme oder Geothermie). Hingegen ist bei befeuerten kalorischen Kraftwerksprozessen, wie z.B. Dampfturbine oder GuD Kraftwerksprozesse der Einsatz von hochwertigen (fossilen) Brennstoffen erforderlich. Das Wirkungsgradspektrum innerhalb einer Technologie ergibt sich zum einem auf Grund der Leistungsklasse, so können z.B. bei Anlagen mit größeren Leistungen aufwändigere Prozessführungen und Verschaltungsarten umgesetzt werden. Weiters liegen bei Anlagen im größeren Leistungsbereich die komponentenspezifischen Wirkungsgrade (z.B. isentroper Wirkungsgrad einer Dampfturbine) in einem effizienteren Bereich. In der Zusammenstellung der unterschiedlichen Technologien ist dieser Trend zu besseren Wirkungsgraden bei höherer Leistungsklasse deutlich erkennbar. Ausnahme ist die Brennstoffzelle, mit der sich auch bei niedrigen Leistungsklassen passable Wirkungsgrade erzielen lassen. Im Unterschied zu den anderen in dieser Abbildung angeführten Technologien, handelt es sich bei der Brennstoffzelle um keinen thermodynamischen Kreisprozess, sondern um eine direkte elektrochemische Umwandlung eines Brennstoffs in elektrische Energie. Somit gelten für die Brennstoffzelle keine thermodynamischen Restriktionen, wie dies bei Kreisprozessen der Fall ist. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 202 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-4: Leistungsbereiche und Wirkungsgrade von Arbeitsmaschinen für die Stromerzeugung Abbildung 6-5 zeigt eine systematische Übersicht der technologiespezifischen Eigenschaften unterschiedlicher Systeme zur Wärme-, Strom- bzw. gekoppelten Erzeugung beider Endenergieträger. Abbildung 6-5: Vergleich konkurrierender Systeme für die Hausenergieversorgung, nach Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 203 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt 6.2 Brennstoffzellen 6.2.1 Energiewandlungskette und Systemeigenschaften Brennstoffzellen zählen zu den Technologien, denen in der künftigen Energielandschaft ein hoher Stellenwert zugewiesen wird. Vorteil der Brennstoffzellentechnologie liegt darin, dass selbst bei kleinen Leistungsklassen zur dezentralen Versorgung bereits hohe Umwandlungswirkungsgrade erzielt werden können. Brennstoffzellen zählen zu den elektrochemischen Energiewandlern, in denen die chemische Energie eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff, Erdgas oder Methanol) durch eine galvanische Zellenreaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen können in einer Reihe von unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden, die von Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, über den Einsatz im Transportsektor bis zu Energiespeichern (in Verbindung mit Power-to-Gas) reicht. Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffsystemen liegt bereits im kleinen Leistungsbereich bei passablen Werten. Allerdings darf in diesem Zusammenhang der Wirkungsgrad der Wasserstoffproduktion bzw. des Reformers, im Fall von erdgasbetriebenen Brennstoffzellen, nicht außer Acht gelassen werden. Abbildung 6-6 zeigt den Unterschied in der Umwandlungskette einer Wärmekraftmaschine, in der aus dem Brennstoff im ersten Schritt thermische Energie, in weiteren Schritten kinetische (mechanische) Energie und schlussendlich elektrische Energie erzeugt wird. Im Gegensatz zur Wärmekraftmaschine, die auf thermodynamischen Kreisprozessen beruhen, erfolgt die Umwandlung in Brennstoffzellen auf direkten Weg von Brennstoffenergie in elektrische Energie. Abbildung 6-6: Vergleich Energieumwandlungskette Wärmekraftmaschine - Brennstoffzelle Die Umwandlungs- bzw. Nutzungskette am Beispiel eines Brennstoffzellen- Heizgeräts ist in Abbildung 6-7 ersichtlich. In Abhängigkeit vom eingesetzten Brennstoff muss dieser im ersten Schritt mittels eines Reformers in Wasserstoff umgewandelt werden. Dieser verlustbehaftete Umwandlungsschritt ist aus dem Grund erforderlich, da für die meisten Bauarten von Brennstoffzellen Wasserstoff als Brenngas erforderlich ist. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 204 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Da sich Verunreinigungen im Wasserstoff nachteilig auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirken, muss das Brenngas zusätzlich noch gereinigt werden. In der Brennstoffzelle erfolgt eine elektrochemische Umwandlung, wobei in diesem Umwandlungsschritt Gleichstrom erzeugt wird, der in weiterer Folge mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Bei der elektrochemischen Umwandlung in der Brennstoffzelle fällt Abwärme an, welche je nach Bauart in unterschiedlichen Temperaturbereichen liegt und für die Brennstoffvorwärmung oder als Heizwärme genutzt werden kann. Abbildung 6-7: Energieumwandlung in einem Brennstoffzellen- Heizgerät Da es sich bei der Brennstoffzelle um einen elektrochemischen Umwandlungsprozess handelt, unterschiedet sich der Wirkungsgrad grundsätzlich vom Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen (siehe Abbildung 6-8). Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist durch den Carnot- Wirkungsgrad begrenzt, der den maximalen theoretischen Wirkungsgrad eines verlustfrei arbeitenden Idealprozesses beschreibt. Der Carnot- Wirkungsgrad ist von der Temperatur der zur Verfügung stehenden Wärmequelle und der Temperatur der Wärmesenke abhängig. Mit steigender Temperatur der Wärmequelle steigt bei gleichbleibender Temperatur der Wärmesenke der Carnot- Wirkungsgrad an. Im Unterschied dazu weist der theoretische Wirkungsgrad einer idealen Brennstoffzelle ein gegenläufiges Verhalten auf. Dieser erreicht bei niedrigen Betriebstemperaturen sein Maximum und nimmt mit steigender Temperatur ab. Erst ab Temperaturen >900°C liegt der Wirkungsgrad des Carnot- Prozesses über dem Wirkungsgrad einer idealen Brennstoffzelle. Für beide Umwandlungstechnologien ist anzumerken, dass der reale Wirkungsgrad deutlich unter dem idealen Wirkungsgrad der Technologien liegt. So erreicht der reale Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle Werte zwischen 40 und 60%. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 205 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-8: Vergleich thermischer/elektrischer Wirkungsgrad ideale Brennstoffzelle und ideale Wärmekraftmaschine (Carnot) Für mobile Anwendungen ist neben dem Wirkungsgrad auch die Energiedichte ausschlaggebend. Die Brennstoffzelle steht dabei in Konkurrenz zu unterschiedlichen Arten von Batteriesystemen. Bei den Batteriesystemen hat sich für mobile Anwendungen die Lithium-Ionen-Batterie etabliert, da diese im Vergleicht zu anderen Batteriesystemen (z.B. Blei-Säure oder Nickel-Cadmium) eine höhere Energiedichte aufweist. Das bedeutet, dass für die Speicherung einer Energieeinheit ein geringeres Gewicht erforderlich ist. Zusätzlich spielen in diesem Bereich auch die Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer eine Rolle. Bei Brennstoffzellen liegt die Energiedichte deutlich über der von Batteriesystemen, was für mobile Anwendungen grundsätzlich ein Vorteil ist. Nachteilig ist in diesem direkten Vergleich zwischen Batteriesystemen und Brennstoffzellensystemen jedoch der Gesamtwirkungsgrad der Energiewandlungskette, der bei Batteriesystemen deutlich über dem von Brennstoffzellen liegt. Aus diesem Grund sind Brennstoffzellen für mobile Anwendungen prädestiniert, bei denen große Energiemengen bei gleichzeitig moderatem Gewicht gespeichert und umgewandelt werden müssen. Typische Anwendungen dafür sind z.B. der Schwerverkehr mit LKW. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 206 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-9: Energie- und Leistungsdichte verschiedener Energiewandler 6.2.2 Einteilung von Brennstoffzellen Brennstoffzellensysteme können nach dem Temperaturbereich, bei denen diese betrieben werden, sowie nach dem verwendeten Elektrolyten eingeteilt werden. Man unterscheidet zwischen Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen. Niedertemperatur bis 80°C: o AFC: Alkalische – Brennstoffzellen (Alkaline Fuel Cell) o PEMFC oder PEFC: Protonenleitende-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell oder Polymer Electrolyte Fuel Cell) Mitteltemperatur bis 200°C: o PAFC: Phosphorsäure Brennstoffzellen (Phosporic Acid Fuel Cell) Hochtemperatur 650 bis 1.000°C: o MCFC: Karbonatschmelze-Brennstoffzellen (Molten Carbonat Fuel Cell) o SOFC: Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell) Der Reaktionsmechanismus einer Brennstoffzelle wird in Abbildung 6-10 anhand einer protonenleitenden Brennstoffzelle erläutert. Dieser Brennstoffzellentyp besitzt als Elektrolyten eine protonenleitende Polymerfolie. Diese Polymerfolie trennt die Anodenseite (Wasserstoff) und Kathodenseite (Luft) der Brennstoffzelle und ermöglicht eine Diffusion von positiv geladenen Wasserstoffionen, nicht jedoch eine Diffusion von freien Elektronen. Die Spaltung der Wasserstoffmoleküle Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 207 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt (Reaktionsgleichung siehe Formel 6-1) auf der Anodenseite in positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen erfolgt mit Hilfe eines Katalysators (z.B. aus Platin). Die Elektronen werden über einen elektrischen Leiter transportiert. Wie in der Abbildung erkennbar, kann auf Grund des Elektronenflusses die elektrische Energie (Gleichstrom) von einem Verbraucher (symbolisiert durch eine Glühbirne) genutzt werden. Der zweite Teil der Reaktion (Reaktionsgleichung siehe Formel 6-2) läuft auf der Kathodenseite ab, auf welcher die für die Reaktion erforderliche Luft zugeführt wird. Die durch die Membran diffundierten Wasserstoffionen reagieren in einer kalten Oxidationsreaktion mit dem Sauerstoff der Luft und den über den elektrischen Leiter zugeführten Elektronen zu Wasser (Gesamtreaktion siehe Formel 6-3). Auf Grund der Oxidationsreaktion stellt sich in der Brennstoffzelle eine Temperatur von ca. 80°C ein. Abbildung 6-10: Reaktionsmechanismus am Beispiel einer PEM- Brennstoffzelle Anode: Formel 6-1 𝐻2 → 2𝐻 + + 2𝑒 − Kathode: 1 Formel 6-2 + − 2𝐻 + 2𝑒 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 2 Gesamtreaktion: 1 Formel 6-3 𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 2 Das entstehende Wasser ist ein wichtiger Bestandteil, um die protonenleitenden Eigenschaften der Membran aufrecht zu erhalten. Der optimale Feuchtigkeitsgehalt der Membran liegt bei 30%. Durch geeignete Maßnahmen muss gewährleistet sein, dass die Membran ständig befeuchtet wird, jedoch ohne, dass sich kondensierbare Wassertropfen an der Membran ansammeln, welche den Gastransport behindern würden. Ein funktionierendes Feuchtigkeitsmanagement ist daher für diese Bauart von Brennstoffzellen essenziell. Abbildung 6-11 zeigt den Aufbau einer PEM- Brennstoffzelle. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 208 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-11: Aufbau einer PEM- Brennstoffzelle Zusätzlich zu der zuvor beschriebenen protonenleitenden Brennstoffzelle (PEM) gibt es noch weitere Arten von Brennstoffzellen, die sich durch den verwendeten Elektrolyten, durch den Reaktionsmechanismus und die Temperatur voneinander unterscheiden. Die Einteilung in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur Brennstoffzellen wurde bereits erwähnt. Abbildung 6-12 zeigt die Reaktionsmechanismen dieser unterschiedlichen Brennstoffzellentypen. AFC: Alkalische – Brennstoffzelle (Niedertemperatur) PAFC: Phosphorsaure Brennstoffzelle (Mitteltemperatur) PEFC: Protonenleitende-Brennstoffzelle (Niedertemperatur) MCFC: Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (Hochtemperatur) SOFC Festoxid-Brennstoffzelle (Hochtemperatur) Abbildung 6-12: Zellreaktionen unterschiedlicher Brennstoffzellentypen, nach 6.2.3 Einsatz von Brennstoffzellen Beim Einsatz von Brennstoffzellen unterscheidet man zwischen mobilem Einsatz und stationärem Einsatz. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 209 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Beim mobilen Einsatz, z.B. im Transportsektor, ist die Brennstoffzelle eine Alternative zum Verbrennungsmotor und zu batteriebetriebenen Fahrzeugen. Typische Anwendungsfelder sind: - Schwerverkehr - Busse - Schienenfahrzeuge - Schifffahrt Brennstoffzellen betriebene Elektrofahrzeuge zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte im Vergleich zu batteriebetriebenen Fahrzeugen aus. Dadurch können Fahrzeuge mit Brennstoffzelle höhere Reichweiten erzielen. Zusätzlicher Vorteil ist, dass die Befüllung der Wasserstofftanks im Vergleich zu einer Batteriebeladung deutlich rascher erfolgen kann, wenngleich derzeit die notwendige Tankstellen- Infrastruktur noch unzureichend ausgebaut ist. Nachteilig bei Brennstoffzellen betriebenen Elektrofahrzeugen ist jedoch der im Vergleich zu batteriebetrieben Fahrzeugen deutlich schlechtere Gesamtwirkungsgrad der Energiebereitstellungskette (siehe Abbildung 6-13). In dieser Zusammenstellung sind unterschiedliche Antriebskonzepte, basierend auf erneuerbare elektrische Energie dargestellt. Bei allen drei betrachteten Systemen sind Netzverluste zwischen Erzeugung und Endverbraucher mit 5% berücksichtigt. Im ersten Fall wird mit der elektrischen Energie ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug geladen. Der Batteriewirkungsgrad eines Be- und Entladezyklus wird mit 90% berücksichtigt. Berücksichtigt man zusätzlich die Netzverluste zwischen Erzeugung und Endverbraucher, stehen für den elektrischen Antrieb 86%, bezogen auf den Gesamtenergieeinsatz, zur Verfügung. Weitere Verluste entstehen beim Elektromotor (Wirkungsgrad 85%) und beim Antriebsstang (Wirkungsgrad 95%), sodass in der gesamten Energiewandlungskette schlussendlich 69% Antriebsenergie, bezogen auf den Gesamtenergieeinsatz, zur Verfügung steht. Bei den Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug müssen zu den Übertragungsverlusten des Stromnetzes noch der Wirkungsgrad der Elektrolyse bei der Wasserstoffproduktion (70%) hinzuaddiert werden. Die Kompression des Wasserstoffs, sowie der Transport zu Wasserstofftankstellen kann mit einem zusätzlichen Wirkungsgrad von 80% berücksichtigt werden. Im Fahrzeug wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad dieses Umwandlungsschritts beträgt 60%. Berücksichtigt man in weiterer Folge die Verluste im Elektromotor und Antriebsstang (beide sind gleich hoch, wie beim batteriebetriebenen Fahrzeug), steht schlussendlich 26% Antriebsenergie, bezogen auf den Gesamtenergieeinsatz, zur Verfügung. Vergleicht man diesen Wert mit einem batteriebetriebenen Fahrzeug, liegt der Wirkungsgrad um einen Faktor 2,7 niedriger. Das bedeutet, dass für den Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit gleichem Verbrauch ein 2,7-facher Primärenergieeinsatz, verglichen mit einem batteriebetriebenen Fahrzeug, erforderlich ist. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 210 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Ein weiteres Konzept in Abbildung 6-13 zeigt ein Power-to-Liquid Konzept, bei dem aus erneuerbarer elektrischer Energie im ersten Schritt Wasserstoff, in einem weiteren Umwandlungsschritt Flüssigtreibstoff (z.B. Flüssiggas) hergestellt wird, welches schlussendlich in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Auf Grund der Einzelverluste in der Energiewandlungskette steht schlussendlich nur 13% Antriebsenergie, bezogen auf den Gesamtenergieeinsatz, zur Verfügung. Dieses Antriebskonzept hat somit deutliche Nachteile im Vergleich zu brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen (doppelter Gesamtenergieeinsatz erforderlich) sowie zu batteriebetriebenen Fahrzeugen (5,3-facher Gesamtenergieeinsatz erforderlich). Der Einsatz von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen ist aus Effizienzgründen daher nur dann sinnvoll, wenn für den Betrieb dieser Fahrzeuge hohe Leistungen erforderlich sind oder große Reichweiten erzielt werden müssen. Abbildung 6-13: Einzel- und Gesamtwirkungsgrade mit unterschiedlichen Antriebskonzepten, ausgehend von erneuerbar erzeugtem Strom Im stationären Einsatz können Brennstoffzellen künftig eine Alternative zu konventionellen Umwandlungstechnologien darstellen. Typische Einsatzbereiche sind: Energieversorgung von Gebäuden Industrielle Energieversorgung Abbildung 6-14 und Abbildung 6-15 zeigen zwei typische Beispiele von Energieumwandlungssystemen auf Brennstoffzellenbasis für unterschiedliche Leistungsbereiche. En sinnvoller Einsatz dieser Systeme ergibt sich, wenn zusätzlich zur elektrischen Energie auch die thermische Energie vollständig genutzt werden kann. Auf Grund des Betriebsverhaltens eignen sich Brennstoffzellensysteme nicht für stark Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 211 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt schwankende Lasten, daher liegt der primäre Einsatzbereich in der Bandlastabdeckung. Doosan Pure Cell 400 Technologie: PAFC Brennstoff: Erdgas el. Energie: 460 kW th. Energie: 212 kW, Temperatur bis zu 120°C el. Wirkungsgrad: 43% Gesamtwirkungsgrad: 90% Abbildung 6-14: Brennstoffzelle Doosan Pure Cell 400 für stationären Einsatz Vaillant Brennstoffzellen Heizgerät Technologie: SOFC Brennstoff: Erdgas el. Energie: 1 kW th. Energie: 2 kW Abbildung 6-15: Brennstoffzelle Doosan Pure Cell 400 für stationären Einsatz 6.3 Kraft-Wärme-Kopplung in Blockheizkraftwerken und im Kraftwerksbereich 6.3.1 Konventionelle Wärmeversorgungsanlagen Abbildung 6-16 und Abbildung 6-17 zeigt zwei Arten von konventionellen Wärmeversorgungsanlagen, die beim Endverbraucher thermische Energie in Form von Warmwasser bzw. wenn höhere Temperaturen erforderlich sind, in Form von Wasserdampf bereitstellen. Die dargestellten Anlagentypen dienen als Referenzfall für die in den nachfolgenden Kapiteln erläuterten Kopplungsprozesse. Im Fall der Wärmeversorgungsanlage mit Warmwasser (Abbildung 6-16) beträgt der Gesamtwirkungsgrad des Systems im dargestellten Fall 85%. Wird der Heizkessel als Brennwertkessel ausgeführt und betrieben, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad im Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 212 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt dargestellten Fall auf 95%. Dies ist darin begründet, da auch beim Brennwertkessel die zugeführte Brennstoffenergie auf den Heizwert und nicht auf den Brennwert bezogen wird. Aus diesem Grund hat der Brennwertkessel einen Wirkungsgrad von >100%. Abbildung 6-16: Konventionelle Wärmeversorgungsanlage mit Warmwasser Im Fall der Wärmeversorgungsanlage mit Dampf (Abbildung 6-17) liegt der Gesamtwirkungsgrad im dargestellten Fall bei 80%. Dies ist dadurch begründet, da auf Grund der höheren Temperaturen im Vergleich zum Warmwasserkessel der Kesselwirkungsgrad geringer und die Rohrleitungsverluste höher sind. Abbildung 6-17: Konventionelle Wärmeversorgungsanlage mit Dampf 6.3.2 Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren (Otto- oder Dieselmotoren) sind Verbrennungskraftmaschinen mit einer internen Verbrennung. Die Expansion des Heißgases nach der Verbrennung wird genutzt, um einen Kolben zu bewegen und damit eine Welle anzutreiben. Der Leistungsbereich von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung beginnt bereits im Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 213 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt einstelligen kW- Bereich und reicht bei üblichen Anwendungen bis zu 2 MW. Die im Verbrennungsmotoren erzeugte mechanische Energie kann in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Typische Anwendungsbereiche sind neben Blockheizkraftwerken zur Energieversorgung von Gebäuden auch der Einsatz von Gasmotoren bei Biogasanlagen oder im Kraftwerksbereich bei Biomassevergasungsanlagen. Beim Wirkungsgrad von KWK Aggregaten auf Basis von Verbrennungsmotoren wird zwischen dem elektrischen, dem thermischen und dem Gesamtwirkungsgrad unterschieden (siehe Abbildung 6-18). Wie beim elektrischen Wirkungsgrad erkennbar, ist dieser stark von der Aggregateleistung abhängig und steigt mit der Leistung an. Verbrennungskraftmaschinen auf Basis von Gas- oder Diesel Aggregaten bewegen sich an der oberen Grenzkurve des elektrischen Wirkungsgradbereichs. Ottomotoren bewegen sich an der unteren Grenzkurve. Im Gegenzug zum elektrischen Wirkungsgrad sinkt der thermische Wirkungsgrad mit ansteigender Aggregateleistung, da bei höherem elektrischem Wirkungsgrad weniger thermische Energie (Abwärme) zur Verfügung steht. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus der Summe von elektrischem und thermischen Wirkungsgrad. Abbildung 6-18: Wirkungsgrade typischer KWK Motoraggregate Beim Verbrennungsmotor fällt Abwärme auf unterschiedlichem Temperaturniveau an (siehe Abbildung 6-19). Wird diese Abwärme (wie im KFZ Betrieb) nicht genutzt, muss die Abwärme an die Umgebung abgeführt werden. Ein Teil der Abwärme aus der Schmierölkühlung sowie aus dem Kühlwasser liegt im niedrigen Temperaturniveau unter 90°C. Das Abgas hat beim Austritt aus dem Verbrennungsmotor eine deutlich höhere Temperatur von bis zu 600°C und kann somit für die Dampfproduktion oder Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 214 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt den Betrieb eines ORC Prozesses genutzt werden. Ein Nutzungskonzept im Bereich Niedertemperaturwärme ist in Abbildung 6-20 ersichtlich. Abbildung 6-19: Konventionelle Stromerzeugung mit Verbrennungsmotor Abbildung 6-20: Kraft-Wärme-Kopplung mit Verbrennungsmotor 6.3.3 Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Dampfturbinenprozessen Bei der Prozessführung von dampfbasierten Kraftwerksprozessen kann ebenso, wie auch bei anderen Kraftwerksprozessen, zwischen reiner Stromproduktion und Kraft- Wärme-Kopplung (KWK) unterschieden werden. Je nach Betriebsart, werden unterschiedliche Turbinenarten eingesetzt. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung kann zudem Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 215 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt zwischen strom- und wärmegeführten Betrieb unterschieden werden, siehe Tabelle 6-1. Tabelle 6-1: Betriebsweisen für Kraftwerke, nach Abbildung 6-21: Prozessschaltbilder von Dampfkraftanlagen, nach Beim Kondensationsbetrieb (siehe Abbildung 6-21, links) steht ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad im Fokus. Um dies zu erreichen, wird der Frischdampf in der Turbine auf ein möglichst niedriges Druckniveau des Abdampfes expandiert. Das Druckniveau des Abdampfes ergibt sich aus dem Temperaturniveau des der Turbine nachgeschalteten Kondensators. Beim Prozessmedium Wasser sind Kondensatordrücke zwischen 20 mbarabs (bei Umgebungstemperatur TU = 18 °C) und 100 mbarabs (bei TU = 46 °C) übliche Größenordnungen. Der Abdampf wird somit unter den Umgebungsdruck entspannt. Um einen möglichst geringen Kondensatordruck zu erreichen ist man bestrebt ein Kühlmedium mit möglichst niedriger Temperatur nutzen zu können. Die im Kondensator anfallende Kondensationswärme muss an die Umgebung (entweder Umgebungsluft oder Wasser) abgeführt werden und ist auf Grund des niedrigen Temperaturniveaus meist kaum wirtschaftlich nutzbar. Der elektrische Wirkungsgrad bei einer Kondensationsturbine liegt üblicherweise im Bereich zwischen 25 – 45% (siehe Abbildung 6-22). Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 216 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-22: Konventionelle Stromerzeugung mit Dampfturbine im Kondensationsbetrieb, nach Beim Gegendruckbetrieb (siehe Abbildung 6-21, Mitte) liegt das Ziel darin neben elektrischer Energie zusätzlich Wärmeenergie, z.B. für als Prozesswärme oder den Betrieb eines Fernwärmenetzes, bereitzustellen. Anstelle des Kondensators ist ein Wärmeabnehmer (Heizkondensator) der Turbine nachgeschaltet, der mit den Systemtemperaturen des angeschlossenen Wärmenetzes betrieben wird. Auf Basis dieser Betriebstemperatur ergibt sich auch der Gegendruck, auf den das Prozessmedium in der Turbine expandiert werden kann. Im Fall des Prozessmediums Wasser liegt der Gegendruck bei einer Vorlauftemperatur des Wärmeabnehmers von 90°C bei ca. 0,8 barabs. Damit ist der Expansionsdruck des Prozessmediums deutlich höher als im Fall des Kondensationsbetriebs, was sich auf die elektrische Energieausbeute auswirkt. Im Gegendruckbetrieb steht die ausgekoppelte Wärmemenge in einem direkten Verhältnis zur Stromerzeugung. Geht z.B. in den Sommermonaten die Wärmeabnahme des Verbrauchers zurück, hat das direkte Auswirkungen auf die Stromproduktion. Aus diesem Grund ist die Gegendruckbetrieb vor allem bei möglichst gleichbleibender Wärmeabnahme, z.B. zur Bandlastabdeckung, interessant. Anlagen mit Gegendruckbetrieb werden üblicherweise zur Deckung der Wärmenachfrage (wärmegeführt) ausgelegt. Der elektrische Wirkungsgrad bei einer Gegendruckturbine liegt in Abhängigkeit der genutzten Wärmeabnahme üblicherweise im Bereich zwischen 15 – 30%. Der Gesamtwirkungsgrad liegt im Bereich 80 – 90% (siehe Abbildung 6-23). Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 217 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-23: Kraft-Wärme-Kopplung mit Dampfturbine im Gegendruckbetrieb, nach Abbildung 6-24 zeigt das T-s Diagramm von Dampfanlagen mit Kondensations- und Gegendruckturbine im Vergleich. Bei beiden Verschaltungsarten ist die zugeführte Wärmemenge qzu als Fläche unter der Isobaren Verdampfungslinie (1 – 2 – 3 – 4) abzulesen. Bei gleich hohem Frischdampfdruck und gleicher Überhitzung ist diese Fläche in beiden Fällen gleich groß. Bei der Kondensationsturbine kommt es zur Expansion auf einen Abdampfdruck, der durch die Umgebungstemperatur (TU) bestimmt ist. Die Fläche unter der isobaren Kondensationslinie (5 – 0) entspricht der abzuführenden Wärmemenge qab, die an die Umgebung abgeführt wird. Bei der Gegendruckturbine bestimmt das Temperaturniveau des Wärmeabnehmers (ebenfalls mit TU bezeichnet) das Druckniveau des Abdampfdrucks nach der Expansion in der Turbine. Die unter der isobaren Kondensationslinie liegende Fläche entspricht der abzuführenden Wärmemenge qab, wobei ein Teil dieser Fläche als Heizwärme genutzt werden kann. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 218 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-24: T-s- Diagramm von Dampfkraftanlagen mit Gegendruck- und Kondensationsturbine, nach Die Entnahmeturbine, auch Entnahmekondensationsturbine (siehe Abbildung 6-21, rechts), bietet die Möglichkeit einer Kraft-Wärme-Kopplung bei schwankender Wärmenachfrage. Bei dieser Turbinenbauart wird aus der Turbine vor der Mitteldruck- oder Niederdruckstufe Dampf mit höherem Temperaturniveau angezapft und einem Heizkondensator zugeführt. Die dort anfallende Wärmemenge kann für die Prozesswärmeversorgung oder für Fernwärmebereitstellung verwendet werden. Der restliche Anteil des Dampfes wird in der Turbine analog zu einer Kondensationsturbine entspannt. Die im Kondensator anfallende Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Die Entnahmeturbine bietet über die angezapfte Dampfmenge die Möglichkeit zur Lastanpassung an die Wärmeabnahme. Das Verhältnis von Strom- zu Wärmeproduktion ist somit variabel. Der Gesamtwirkungsgrad dieses Prozesses liegt mit 80 – 90 % im relativ hohen Bereich. 6.3.4 Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Gasturbinenprozessen Gasturbinen werden in einem breiten Leistungsbereich, begonnen bei Mikro- Gasturbinen von unter 100 kWel bis hin zu sehr großen Leistungen im Bereich von Gas und Dampf- Anlagen (GuD) mit bis zu 600MWel eingesetzt. Die Gasturbinenanlage besteht aus einem Verdichter, der die Verbrennungsluft verdichtet, einer Brennkammer, in der die verdichtete Verbrennungsluft mit dem Brennstoff reagiert, der Gasturbine, in welcher die verdichteten Heißgase aus der Brennkammer expandieren und die mit dem Verdichter und dem Generator üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Aus der Gasturbine treten die Abgase mit Temperaturen von 450 – 600°C aus und können in weiterer Folge in einem Abhitzekessel zur Produktion von Heißwasser oder Dampf genutzt werden. Wie bei Verbrennungsmotoren ist auch der Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen von der Aggregateleistung abhängig (siehe Abbildung 6-25). Diese Wirkungsgrade haben Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 219 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt ebenso ein gegenläufiges Verhalten. Mit steigender Aggregateleistung steigt der elektrische Wirkungsgrad an. Hingegen sinkt der thermische Wirkungsgrad, weniger an Abwärme zur Verfügung steht. Der Wertebereich des thermischen Wirkungsgrades ergibt sich aus dem Prozessparametern der nachgeschalteten Aggregate. Wenn im Abhitzekessel Dampf produziert wird, ist dafür ein hohes Temperaturniveau erforderlich, was zur Folge hat, dass die Abgasverluste der Gasturbine steigen. Wird hingegen im Abhitzekessel Warmwasser produziert, kann das Abgas aus der Gasturbine zu niedrigeren Abgasaustrittstemperaturen gekühlt werden und folglich sind auch die Abgasverluste geringer. Abbildung 6-25: Wirkungsgrade typischer Gasturbinenaggregate Abbildung 6-26 zeigt die Energiebilanz einer konventionellen Stromerzeugungsanlage mit Gasturbine ohne Verwertung der Abwärme. In Abbildung 6-27 ist ein Kraft-Wärme- Kopplungssystem mit Gasturbine und Abhitzekessel ersichtlich. Abbildung 6-28 zeigt eine Kraft-Wärme-Kopplung in einem Gas- und Dampfkraftwerk (GuD). Mit diesen Anlagentypen kann eine deutliche Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades erreicht werden. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 220 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-26: Konventionelle Stromerzeugung mit Gasturbine Abbildung 6-27: Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbine und Abhitzekessel Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 221 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Abbildung 6-28: Kraft-Wärme-Kopplung in einem Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) 6.4 Dimensionierung von Kraft-Wärme-Kopplungs- Anlagen Bei der Betriebsart von Kraft-Wärme-Kopplungs- Anlagen ist zu unterscheiden, ob die Stromproduktion oder die Wärmeproduktion im Vordergrund stehen soll. Dem entsprechen werden die Anlagen Strom- oder Wärmegeführt betrieben. Diese beiden Betriebsarten unterscheiden sich wie folgt: Stromgeführter Anlagenbetrieb - Auslegung erfolgt anhand der elektrischen Bedarfswerte - nicht ausreichende Wärmeproduktion wird mit einer zusätzlichen Kesselanlage bereitgestellt - Wärmeüberschuss der KWK Anlage sollte vermieden werden, da überschüssige Wärme rückgekühlt werden muss Wärmegeführter Anlagenbetrieb - Auslegung erfolgt anhand der thermischen Bedarfswerte - zu hohe oder zu niedrige Stromproduktion wird durch Netzeinspeisung oder Netzbezug ausgeglichen - KWK wird üblicherweise nicht auf die Wärmehöchstlast ausgelegt. Der Grund darin liegt im begrenzten Teillastverhalten der Anlage. Nicht Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 222 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt ausreichende Wärmeproduktion wird mit zusätzlicher Kesselanlage bereitgestellt. In Abbildung 6-29 und Abbildung 6-30 ist die wärmegeführte KWK Betriebsweise einer Gas- und Dampfturbinen-KWK-Anlage eines kommunalen Versorgungsunternehmens ersichtlich. Der thermische Energiebedarf des Versorgungsgebiets ist in Abbildung 6-29 in einer geordneten Jahresdauerlinie aufgetragen. Die obere Grenzlinie beschreibt den Fernwärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher. Weiters ist in Abbildung 6-30 der Strombedarf des Versorgungsgebiets aufgetragen, wobei wiederum die obere Grenzkurve den Verbrauch an elektrischer Energie der angeschlossenen Verbraucher darstellt. Abbildung 6-29: Jahresdauerlinie des thermischen Energiebedarfs (KWK wärmegeführt) Abbildung 6-30: Jahresdauerlinie des elektrischen Energiebedarfs (KWK wärmegeführt) Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 223 HAW Burgenland Department Energie und Umwelt Die Gas- und Dampfturbinen- Anlage wird im gezeigten Fall bei einer wärmegeführten Betriebsweise so ausgelegt, dass diese rund 48 MW des thermischen Energiebedarfs abdecken kann. Der restliche Anteil bis zur Spitzenlast von 80 MW wird durch den Spitzenlastkessel bereitgestellt. Die jeweiligen Flächenanteile unter der geordneten Jahresdauerlinie ergeben den Anteil der Gas- und Dampfturbinen- Anlage sowie des Spitzenlastkessels an der gesamten Bereitstellung von thermischer Energie für das Versorgungsgebiet. Abgeleitet aus der thermischen Energieproduktion der Gas- und Dampfturbinen- Anlage in Abbildung 6-29 kann mit dem Wärme- zu Strom- Verhältnis der Anlage der Anteil an Stromproduktion in Abbildung 6-30 aufgetragen werden. Wie in der Abbildung ersichtlich, kann der elektrische Gesamtbedarf der angeschlossenen Verbraucher nur in einem kurzen Zeitraum vollständig durch die Gas- und Dampfturbinen- Anlage vollständig gedeckt werden. Ein Großteil des Jahres muss zusätzlich elektrische Energie aus dem überregionalen Versorgungsnetz bezogen werden. Aus den Flächenverhältnissen ist jedoch erkennbar, dass der Anteil der Eigenerzeugung in der Jahresenergiebilanz durch die Gas- und Dampfturbinen- Anlage erfolgt, hingegen nur ein geringerer Anteil aus dem überregionalen Netz bezogen werden muss. Der klare Vorteil in dieser Anlagendimensionierung und im wärmegeführten Betrieb liegt wie bereits erwähnt darin, dass die anfallende Wärme von den angeschlossenen Verbrauchern genutzt werden kann und nicht als Abwärme verloren geht und somit der Jahresgesamtnutzungsgrad des Gas- und Dampfturbinenprozesses deutlich höher liegt als beim stromgeführten Betrieb. Bachelorstudiengang Energie- und Umweltmanagement 224