Informationssammlung zur Kraft-Wärme-Kopplung

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1 Informationssammlung zur Kraft-Wärme-Kopplung Ergänzung zum Schulpaket Kraft-Wärme-Kopplung der Initiative KWK Modellstadt Berlin Energie effizient nutzen

2 Inhaltsverzeichnis Folie 3 Folie 4 Folie 5 Folie 6 Folie 7 Folie 8 Folie 9 Folie 10 Folie 11 Folie 12 Folie 13 Folie 14 Folie 15 Folie 16 Folie 17 Folie 18 Folie 19 Folie 20 Folie 21 Wissenswertes über Energie (1) Wissenswertes über Energie (2) Wissenswertes über Energie (3) Einführung Kraft-Wärme-Kopplung (1) Einführung Kraft-Wärme-Kopplung (2) Vergleich von KWK und getrennter Energieerzeugung Effizienz und Wirkungsgrad (1) Effizienz und Wirkungsgrad (2) Formel Wirkungsgrad CO 2 -Einsparung durch KWK Größenordnungen von KWK KWK in der Praxis KWK mit Fernwärmeversorgung (1) KWK mit Fernwärmeversorgung (2) KWK in Blockheizkraftwerken (BHKW) (1) KWK in Blockheizkraftwerken (BHKW) (2) KWK im eigenen Haus KWK mit Diesel- oder Ottomotor (1) KWK mit Diesel- oder Ottomotor (2) Folie 22 Folie 23 Folie 24 Folie 25 Folie 26 Folie 27 Folie 28 Folie 29 Folie 30 Folie 31 Folie 32 Folie 33 Folie 34 Folie 35 Folie 36 Folie 37 Folie 38 Folie 39 Folie 40 KWK mit Gas- und Dampfturbine (1) KWK mit Gas- und Dampfturbine (2) KWK mit Gas- und Dampfturbine (3) KWK mit Gas- und Dampfturbine (4) KWK mit Stirling-Motor (1) KWK mit Stirling-Motor (2) KWK mit Brennstoffzellen (1) KWK mit Brennstoffzellen (2) KWK mit Brennstoffzellen (3) KWK und erneuerbare Energien (1) KWK und erneuerbare Energien (2) Förderung von KWK (1) Förderung von KWK (2) KWK in Berlin Nah- und Fernwärme in Berlin Ausblick KWK (1) Ausblick KWK (2) Ausblick KWK (3) Die Initiative KWK Modellstadt Berlin Energie effizient nutzen

3 Wissenswertes über Energie (1) Bild: Sergey Galushko, Fotolia.com Energieerhaltungssatz Energie und Energieformen Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie kommt in verschiedenen Formen vor: mechanische Energie (Lage-, Bewegungs- und Spannungsenergie, Schwingungen, Schall, Wellen) thermische Energie oder Wärmeenergie elektrische und magnetische Energie Bindungsenergie (chemische Energie und Kernenergie) In einem abgeschlossenen System kann Energie nicht verloren gehen, sondern immer nur in eine andere Form umgewandelt werden. Im physikalischen Sinne ist es also falsch von Energieverlusten zu sprechen, korrekter ist die Einteilung in genutzte und nicht genutzte Energie. 3

4 Wissenswertes über Energie (2) Energieumwandlung Eine verlustfreie Energieumwandlung ist in der Praxis kaum möglich. Es entsteht immer ein Energieverlust, z. B. Abwärme beim Motor, die nicht genutzt werden kann. Beispiele für Energieumwandler sind: Motor elektrische/chemische Energie in Bewegungsenergie Generator Bewegungsenergie in elektrische Energie Batterie chemische Energie in elektrische Energie Tauchsieder elektrische Energie in Wärmeenergie Bilder: MadMax, M. Barnebeck, S. Hofschläger/PIXELIO, 4

5 Wissenswertes über Energie (3) Energieeinheiten Als Formelzeichen für Energie wird in der Regel das E, aber auch W für Arbeit (Work) verwendet. Energie kann in verschiedenen Maßeinheiten dargestellt werden: Wattsekunde (Ws) für elektrische Arbeit Kilowattstunde (kwh) in der Energietechnik, da Ws zu klein ist Joule (J) für Wärmeenergie Newtonmeter (Nm) für mechanische Energie Hinweise 1 Ws = 1 J = 1 Nm 1 kwh = 3, Ws Die Leistung einer Maschine oder eines Kraftwerks wird in Watt (W), Kilowatt (kw) oder Megawatt (MW) angegeben. Leistung ist nicht mit Arbeit zu verwechseln. Vereinfacht gilt: P = W t ges Die Leistung (P) ist umso höher, je größer die Arbeit (W) und je kürzer die dafür benötigte Zeit (t) ist. 5

6 Einführung Kraft-Wärme-Kopplung (1) Grafik: B.KWK Definition KWK Wird in einem Energieumwandler durch einen chemischen oder physikalischen Prozess Energie frei und wird diese sowohl für mechanische oder elektrische Arbeit als auch für Nutzwärme verwendet, so spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung. 6

7 Einführung Kraft-Wärme-Kopplung (2) KWK Erzeugung von Strom und Wärme in einem Prozess Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird weitergenutzt, statt über Kühltürme in die Luft oder in Gewässer abgegeben zu werden*: zum Heizen oder Kühlen zur Warmwasserversorgung als Prozesswärme (Industrie) Damit werden Energieressourcen effizienter genutzt und CO 2 -Emissionen verringert. KWK-Anlagen gibt es in allen Größenordnungen. Den dreistelligen Megawatt-Leistungsbereich decken große Heizkraftwerke ab, die Fernwärme und Strom gleichzeitig produzieren. Kleinstanlagen, sogenannte Mikro-KWK-Anlagen, gibt es schon im einstelligen Kilowatt-Bereich für einzelne Gebäude. Aufgrund der technischen Besonderheiten fördert KWK eine verbrauchsnahe Erzeugung von Energie. Hinweise * Im Idealfall wird darüber hinaus die Abwärme von Abgas, Motor und Generator über Wärmetauscher zum Heizen genutzt. Prinzip der herkömmlichen Stromerzeugung: Verbrennung eines Energieträgers im Kraftwerk, Umwandlung in mechanische Energie, Erzeugung von Strom über einen Generator -> Abwärme wird nicht genutzt. 7

8 Vergleich von KWK und getrennter Energieerzeugung Grafik: B.KWK 8

9 Effizienz und Wirkungsgrad (1) KWK ist sehr effizient, da zwei Energieprodukte (Wärme und Strom) gleichzeitig erzeugt werden. Hinweise Vorteile von KWK: Nutzung großer Teile der in den Brennstoffen gebundenen Primärenergie wenig Energieverluste beim Umwandlungsprozess hoher Wirkungsgrad bis 90 % Mit dem Wirkungsgrad (η) wird beschrieben, welchen Anteil der zugeführten Leistung eine Maschine oder Anlage als Nutzleistung abgibt. Da die genutzte Leistung wegen des Energieverlustes immer kleiner als die zugeführte Leistung ist, muss der Wirkungsgrad immer < 1 sein (1 100 %). η = 80 % bedeutet: η = 80 = 0,8 100 Der Wirkungsgrad beträgt 80 %, der Leistungsverlust 20 %. Bild: G. Altmann/PIXELIO, 9

10 Effizienz und Wirkungsgrad (2) Das Zahlenbeispiel demonstriert, wie viel Strom und Wärme bei der KWK eingespart werden kann. Hinweis Aus der Tabelle lassen sich Rechenaufgaben für den Mathematikoder Physikunterricht erstellen. Grafik: Vattenfall-Broschüre: KWK ein Instrument für Effizienz und Klimaschutz 10

11 Formel Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer KWK-Anlage ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen zugeführter Energie und genutzter oder abgeführter Energie, also dem Verhältnis zwischen Brennstoffverbrauch und Strom- und Wärmeerzeugung. Die Differenz zwischen zugeführter Energie und genutzter Energie ist der Energieverlust, dieser tritt meistens als Wärmeverlust in Erscheinung. 11

12 CO 2 -Einsparung durch KWK Wirkungsgrad und CO 2 -Einsparung Wirkungsgrad und CO 2 -Einsparung hängen eng zusammen. Je weniger Primärenergie für die gleiche Leistung benötigt wird, desto geringer sind die CO 2 -Emissionen. Besonders umweltfreundlich sind: KWK-Anlagen mit regenerativen Brennstoffen Erzeugung von Strom und Wärme ohne Verbrennung (Brennstoffzellen) Bilder: Biogasmotor Güssung, Gerfriedc (CREATIVE COMMONS-Lizenz: Hot-Modul-Brennstoffzelle, Heizwerk Berlin Treptow 12

13 Größenordnungen von KWK 13

14 KWK in der Praxis KWK kann überall zum Einsatz kommen, wo Wärme gebraucht wird. Wohnhäuser und Wohnsiedlungen Altersheime Büro- oder Kaufhäuser Schwimmbäder öffentliche Gebäude Industrie- und Gewerbebetriebe Landwirtschaft und Gartenbau flächendeckende Versorgung von Städten durch Nah- und Fernwärmenetze Aufgabe Sucht im Internet nach Praxisbeispielen und gestaltet dazu eine A4- Seite (z. B. B.KWK-Broschüre oder Rubrik: KWK im Einsatz). Bilder: R. Sturm, B. Boscolo, A. Lueckemeyer, G. Altmann/PIXELIO, 14

15 KWK mit Fernwärmeversorgung (1) Fernwärme wird seit dem Ende des 19. Jh. kommerziell genutzt. Ziel war, durch die Verringerung der Anzahl der Feuerstätten in den Innenstädten die Gefahr von Bränden zu mindern und der Verschmutzung durch Kohle und Asche Einhalt zu gebieten. Wie funktioniert gekoppelte Fernwärme? In großen Heizkraftwerken werden Wärme und Strom (gekoppelt) produziert. Die Wärme wird genutzt, um Wasser auf ca. 140 C zu erhitzen. Über ein gut isoliertes Rohrleitungsnetz wird das Wasser dann zu den Verbrauchern geleitet. In einem Wärmetauscher wird das Wasser dann vor Ort auf ca. 60 C abgekühlt und fließt durch ein zweites Rohr zurück zur Heizzentrale. Der Kreislauf beginnt von Neuem. Der produzierte Strom wird ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Grafik: B.KWK Aufgabe Recherchiert, wo sich die längsten Fernwärmenetze Deutschlands befinden und wie hoch deren Anteile am Wärmemarkt sind. Bild: Blick in den Rohrtunnel einer Fernwärme-Haupttransportleitung in Berlin, Vattenfall 15

16 KWK mit Fernwärmeversorgung (2) Im Berliner Fernwärmesystem erfolgt die Strom- und Wärmeerzeugung üblicherweise verbrauchsnah durch die Integration der Heizkraftwerke in die Stadtstruktur. Bei den hierfür genutzten KWK-Anlagen wird unterschieden zwischen Gasturbinen-, Dampfturbinen- und kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Anlagen, sogenannten GuD-Anlagen. Die Größe dieser KWK-Anlagen ermöglicht den Einsatz effizienter Methoden der Emissionsminderung. Beim KWK-Prozess in großen Fernwärmesystemen ist es besonders wichtig, in Relation zur geplanten Menge an Wärme eine größtmögliche Menge an Strom zu erzeugen. Aufgabe Vergleicht das Verhältnis von Stromund Wärmeerzeugung in innerstädtischen Fernwärmesystemen mit KWK-Erzeugungstechnologien, die kein Nah- oder Fernwärmenetz zur Wärmeverteilung benötigen. Faustformel Fernwärme in Berlin Die Erzeugung von 1 MWh Fernwärme ermöglicht je nach eingesetzter Technologie die Erzeugung von etwa 1 MWh Strom in Kraft-Wärme-Kopplung. 16

17 KWK in Blockheizkraftwerken (1) (BHKW) Im Gegensatz zur Energieerzeugung in einem zentralen Kraftwerk werden beim BHKW Wärme und Strom vor Ort erzeugt und verbraucht. Dadurch fallen erheblich weniger Transport- und Leitungsverluste an. Der überschüssige Strom wiederum wird in das örtliche Stromnetz eingespeist und vergütet. Es gibt verschiedene Antriebe, die beim BHKW zum Einsatz kommen: Diesel- oder Ottomotor, Mikrogasturbine, Stirling- Motor, Brennstoffzelle. Wichtig bei der Versorgung eines Gebäudes oder einer Gebäudeeinheit mit KWK ist nicht die maximale Stromausbeute, sondern die größtmögliche Wärmeabdeckung bei hoher Stundenauslastung und möglichst kompletter Eigenstromnutzung. Bild: BHKW in einem Dienstleistungsgebäude, Berliner Energieagentur GmbH Hinweise Positive Effekte können erzielt werden, wenn mehrere Gebäude über ein Nah- bzw. Fernwärmenetz zusammengeschlossen werden. Die Höchstlast am Netzeinspeisepunkt ist so geringer als die Summe der Höchstlasten der einzelnen Verbraucher. Praxisbeispiele verschiedener BHKW-Einsatzorte mit Fotos finden sich in der B.KWK-Broschüre. 17

18 KWK in Blockheizkraftwerken (2) (BHKW) Die Auslegung eines BHKW orientiert sich an verschiedenen Kriterien: Thermische Jahresdauerlinie bildet die Grundlage für die Auslegung gibt Auskunft darüber, wie viel kwh Wärme vor Ort während der einzelnen Monate benötigt werden Tagesganglinie des Strom- und Wärmebedarfs zur Abschätzung des gleichzeitigen Stromund Wärmebedarfs Betriebsstundenanzahl wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage der Wirkungsgrad größerer KWK-Aggregate ist besser als bei kleinen Modulare Zusammenstellung Vorteil mehrerer Motoren- oder Motorengruppen: Ausschalten einzelner Module im unwirtschaftlichen Teillastbereich ggf. Einbau eines zusätzlichen Heizkessels für die Spitzenlast im Winter Faustformel zur Abschätzung der Größe eines BHKW* Auslegung in Höhe von 30% der Spitzenwärmeleistung: Je nach Gebäude können so 60% bis 80% des Jahreswärmebedarfs bei bis Jahresstunden gedeckt werden. Hinweise * BHKW-Checkliste der ASUE ( Weitere Informationen zur wirtschaftlichen Auslegung von KWK-Anlagen: BINE- Broschüre. Grafik: Geordnete thermische Jahresdauerlinie, Berliner Energieagentur GmbH 18

19 KWK im eigenen Haus Eine Mikro-KWK-Anlage ist so groß wie ein Kühlschrank und passt in jedes Einfamilienhaus. Derzeit werden solche Anlage in Feldversuchen getestet. Der Einbau lohnt sich, wenn eine ganzjährliche Wärmenachfrage besteht. Wichtig ist die Anpassung der Leistung hinsichtlich der schwankenden Nachfrage während des Betriebs. Da in den kalten Wintermonaten mehr Wärme für die Beheizung benötigt wird, muss gegebenenfalls zum BHKW ein zusätzlicher Heizkessel installiert werden. Zurzeit wird intensiv an der Verbesserung der Speichertechnik geforscht, um die Betriebsbedingungen zu optimieren. Bei kleineren KWK-Einheiten werden oftmals Motoren oder auch kleine Gasturbinen eingesetzt. Bild: WisperGen Aufgaben Ihr seid als KWK- Expert/-innen in den Bundestag eingeladen. Schreibt eine Rede für euren Auftritt, in der ihr fordert, KWK auszubauen. Informiert euch über Fördermöglichkeiten von KWK in Berlin. 19

20 KWK mit Diesel- oder Ottomotor (1) Brennstoff- Luft-Gemisch Kaltes Wasser Abgas Abgaswärmetauscher Warmes Wasser Beim Motorantrieb wird ein Verbrennungsmotor (Diesel- oder Ottoprinzip) mit einem Generator gekoppelt. Die Abwärme vom Motor wird wie im Kraftfahrzeug über Wärmetauscher zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt. Der Motor betreibt gleichzeitig den Generator zur Stromerzeugung. Motor Generator Strom Mögliche Brennstoffe sind flüssig oder gasförmig, fossil oder regenerativ. Grafik: Ingenieurbüro für Technik und Information, Peter Lehmacher (CREATIVE COMMONS-Lizenz: Das diesel- oder ottomotorisch betriebene BHKW ist die zurzeit wirtschaftlichste und am häufigsten eingesetzte Technologie der KWK im unteren Leistungsbereich. 20

21 KWK mit Diesel- oder Ottomotor (2) Vorteile konventioneller Motoren: gute Regelbarkeit der Leistung hohe Gesamtwirkungsgrade (85 bis 90 %) gute Betriebserfahrungen und ausgereifte Technik gute Ersatzteilversorgung geringe spezifische Investitionen direkte Verwendung von Primärenergie möglich zahlreiche wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten Nachteile konventioneller Motoren: CO 2 -Emissionen durch die Verbrennung wenig Erfahrungen mit regenerativen Brennstoffen Bild: Berliner Energieagentur GmbH Aufgabe Erklärt mit eigenen Worten die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors. Mit welchen Brennstoffen kann ein Verbrennungsmotor betrieben werden? Informiert euch über Vorund Nachteile der einzelnen Brennstoffe. 21

22 KWK mit Gas- und Dampfturbinen (1) Gasturbinen basieren auf der Turboladertechnologie. Strom wird über einen schnell laufenden Generator erzeugt, der direkt mit der Turbine gekoppelt ist. Gasturbinen gibt es in verschiedenen Größenordnungen. Mikrogasturbinen Mikrogasturbinen werden mit hohem Verbrennungsluftüberschuss gefahren. Die über den Turbosatz ausgekoppelte Wärme wird dem Heizungsnetz zugeführt. Mikrogasturbinen eignen sich für den BHKW-Betrieb im Leistungsbereich unterhalb von 500 kw elektrischer Leistung. Sie erzeugen einen besonders hochfrequenten Strom (1.500 Hz), der zweifach umgewandelt werden muss. Ein Mikrogasturbinen-BHKW erreicht Gesamtwirkungsgrade von 80 % (Strom und Wärme). Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 25 bis 30 %, der thermische bei bis zu 90 %. 22

23 KWK mit Gas- und Dampfturbinen (2) Stromableitung Grafik: Vattenfall Generator Luftansaugkanal Lufteinlaufgehäuse Verdichtergehäuse Luft 21-stufiger Verdichter Rauchgaskanal Verdichter- Leitschaufel träger Ausblaskanal für Verdichter Ringbrennkammer 5-stufige Gasturbine Turbinen-/Brennkammergehäuse Gasturbinen In der Ringbrennkammer einer Gasturbine verbrennt Erdgas. Die Verbrennungsgase strömen anschließend durch die Schaufelräder der Gasturbine und treiben den gekoppelten Generator an, der wiederum Strom erzeugt. Die bei der Verbrennung entstehende Abwärme wird zur Erzeugung von Fernwärme eingesetzt. Ein Gasturbinenkraftwerk beispielsweise erreicht Gesamtwirkungsgrade von 80 % (Strom und Wärme). Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 %, der thermische bei bis zu 90 %. Gasturbinen eignen sich für den Einsatz im Leistungsbereich zwischen 5 und 150 MW elektrischer Leistung. 23

24 KWK mit Gas- und Dampfturbinen (3) Stromableitung Generator Grafik: Vattenfall Abdampfstutzen 1 und 2 Dampfturbine Anzapfung 1 Anzapfung 2 Hochdruck-Dampf Niedrigdruck- Dampf Dampfturbinen Im separaten Kessel wird durch Verwendung diverser fossiler oder regenerativer Brennstoffe Dampf erzeugt und einer Dampfturbine zugeführt, die über einen gekoppelten Generator Strom erzeugt. Anschließend gelangt der Dampf in einen Heizkondensator, wo seine Wärme zur Erzeugung von Fernwärme genutzt wird. Ein Dampfturbinenheizkraftwerk beispielsweise erreicht Gesamtwirkungsgrade von 90 % (Strom und Wärme). Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei etwa 45 %, der thermische bei bis zu 90 %. Dampfturbinen eignen sich für den Einsatz im Leistungsbereich bis zu MW elektrischer Leistung. 24

25 KWK mit Gas- und Dampfturbinen (4) Vorteile von Gasturbinen: geringer Platzbedarf modularer Aufbau möglich geringerer Wartungsaufwand und weniger Verschleißteile bei Mikrogasturbinen im Gegensatz zum Motorantrieb Nachteile von Gasturbinen: beschränkt auf Gas als Brennstoff (im Einzelfall auch Heizöl) geringere Betriebserfahrungen und schlechtere Wirkungsgrade bei Mikrogasturbinen im Gegensatz zum Motorantrieb hohe spezifische Investitionen bei Mikrogasturbinen Vorteile von Dampfturbinen: diverse Brennstoffe einsetzbar sehr hohe Werte bei der Primärenergieeinsparung sehr hohe elektrische Wirkungsgrade Nachteile von Dampfturbinen: langsames Laständerungsverhalten Kombination von Gas- und Dampfturbinen Kombinierte Gas- und Dampfturbinen- Anlagen, sogenannte GuD-Anlagen, erzielen die höchsten elektrischen Wirkungsgrade von bis zu 60 %, indem sie den in der Gasturbine eingesetzten Brennstoff (meist Erdgas oder Heizöl) zusätzlich in einer nachgeschalteten Dampfturbine für die Strom- und Wärmeerzeugung nutzen. Aufgaben Erklärt mit eigenen Worten die Funktionsweise einer Gasturbine. Diskutiert über die Vor- und Nachteile von Erd- und Biogas als Brennstoff. 25

26 KWK mit Stirling-Motor (1) Hinweise Der Stirling-Motor ist eine Wärmekraftmaschine. Er nutzt das Prinzip der Ausdehnung von Gasen bei Erwärmung. In einem oder zwei rechtwinklig miteinander verbundenen Zylindern mit Kolben befindet sich Gas (Luft oder Helium). Ein Ende des Zylinders wird von außen erhitzt, das andere gekühlt, sodass sich die Kolben hin- und herbewegen. Die Bewegung wiederum wird auf eine Welle übertragen, die einen Generator antreibt, der Strom produziert. Ein Regenerator als Zwischenspeicher für Wärmeenergie wird häufig zusätzlich eingesetzt, um den Wärmeaustausch zu vereinfachen und damit höhere Wirkungsgrade zu erzielen. * Strom erzeugende Heizung: ASUE-Broschüre Neben dem Einbau von Stirling-Motoren in kleine, dezentrale BHKW kommen weitere Anwendungsbereiche infrage: kältemittelfreie Kühlprozesse, Antrieb von Schiffen, Ersatz für herkömmliche Brenner einer Zentralheizung, die gleichzeitig Strom erzeugt*, direkte Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie (Solar-Stirling). Je größer die Temperaturdifferenz, desto höher der Wirkungsgrad. Bild: Stirling-Motor 26

27 KWK mit Stirling-Motor (2) Im Unterschied zu Verbrennungsmotoren bleibt beim Stirling-Motor das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Wenn die externe Wärmequelle keine Abgase produziert, weil z. B. Solarenergie genutzt wird, gibt es keine Emissionen.* Weitere Vorteile sind: Stirling-Motoren brauchen keinen bestimmten Treibstoff, als Wärmequellen können fast alle Gase (auch Abwärme aus industriellen Prozessen), Heizöl und Biomasse verwendet werden. Bei gleichmäßigem Betrieb entstehen vergleichsweise geringe Emissionen. Nachteile: Noch sind die Investitionen für Stirling-Motoren höher als für Verbrennungsmotoren. Im unteren Leistungsbereich wird Stirling-Motoren jedoch ein großes Marktpotenzial prognostiziert, was langfristig auch die Kosten drücken wird. Hinweis * z.b. Stirling-Dish (Foto) Bild: Stirling-Dish, Pedro Servera (CREATIVE COMMONS-Lizenz: 27

28 KWK mit Brennstoffzelle (1) Im Unterschied zu Motoren findet bei Brennstoffzellen keine Verbrennung statt. Strom und Wärme werden auf elektrochemische Weise erzeugt. Man spricht von einer kalten Verbrennung. Wie bei der Knallgasreaktion im Chemieunterricht reagieren in der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu Wasser. Dabei gibt es jedoch keine Explosion, sondern die Reaktion verläuft kontrolliert, denn die beiden Gase sind durch eine Elektrolytmembran voneinander getrennt und tauschen nur über einen elektrischen Leiter Elektronen aus. Dieser Elektronenfluss macht die Brennstoffzelle zur Stromquelle. Hinweis Wasserstoff + Sauerstoff = Strom + Wärme (2H = 2H 2 O) Auch die dabei freigesetzte Wärme kann genutzt werden. Als Reaktionsprodukt entsteht reines Wasser, was die Brennstoffzelle so umweltfreundlich macht. Bild: JouJou/PIXELIO, 28

29 KWK mit Brennstoffzelle (2) Vorteile: kaum CO 2 -Emissionen lautlos effizient in der Brennstoffnutzung, hoher Wirkungsgrad Nachteile: zurzeit noch hohe Investitionskosten wenig Betriebserfahrung Aufgabe Erschließt aus der Grafik die Reaktionsgleichung einer Brennstoffzelle und schreibt sie auf. Grafik: Christoph Lingg (CREATIVE COMMONS-Lizenz: 29

30 KWK mit Brennstoffzelle (3) Brennstoffzellen gibt es in allen Größenordungen (kw/mw-leistungsbereich). Meist sind mehrere Zellen als sogenannte Stacks (engl. Stapel) zusammengeschlossen, um die Leistung zu erhöhen. Brennstoffzellen können, wie herkömmliche Antriebe, überall dort eingesetzt werden, wo Energie erzeugt wird: BHKW und Heizkraftwerk (Fernwärme), Antrieb für Fahrzeuge und Schiffe, Heizgeräte im Haushalt, Stromversorgung von Handys und Laptops etc.. Brennstoffzellen sind eine Alternative für eine klimafreundliche Energieversorgung der Zukunft, insbesondere wenn der benötigte Wasserstoff* aus Solarenergie gewonnen wird. Bis jetzt gibt es noch wenig marktreife Systeme und die Investitionskosten sind vergleichsweise hoch. Hinweise - Aufgaben * Wasserstoff gibt es nicht in ungebundener Form. Er wird meist aus Erdgas, Biogas oder Methanol hergestellt. Dabei fallen jedoch Emissionen an. Informiert euch über die Potenziale, die sich durch die Brennstoffzelle für eine zukünftige klimaneutrale Energieversorgung ergeben. 30

31 KWK und erneuerbare Energien (1) Brennstoff Biomasse feste Form (z. B. Holzhackschnitzel) gasförmig (als Biogas) flüssige Variante (Pflanzenöl, Ethanol) Bild: Biomasse-Heizkraftwerk Sellessen, Vattenfall Biomasse ist CO 2 -neutral, weil bei der Verbrennung nur so viel Kohlenstoff freigesetzt wird, wie durch das Wachstum der Pflanzen gebunden wird (geschlossener Kreislauf). Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) trägt zudem besondere Anreize zur Nutzung von Biomasse in KWK Rechnung. Biogas KWK in der Landwirtschaft Bild: 249-kW-Biogasanlage auf einem Bauernhof in Niederbrechen, Volker Thies (CREATIVE COMMONS-Lizenz: licenses/by/3.0/) Immer mehr Landwirte werden zu Energiewirten. Ende 2007 gab es bundesweit gut Biogasanlagen. Diese Biokraftwerke, in denen bei der Vergärung von Gülle, Mist oder nachwachsenden Rohstoffen Methangas entsteht, haben bislang überwiegend nur Ökostrom produziert. Dank KWK-Bonus im neuen EEG werden nun immer häufiger Projekte mit Wärmenutzung realisiert. Damit gewinnt die Biomasse zunehmend Bedeutung als Brennstoff für KWK-Anlagen. 31

32 KWK und erneuerbare Energien (2) Vorteile von Bioanlagen: Nutzung von erneuerbaren, nachwachsenden, örtlich verfügbaren Rohstoffen Nutzung bisher wirtschaftlich ungenutzter Pflanzen(teile) wie Zwischenfrüchte und Kleegras (Biolandbau) gute Düngerqualität und verringerte Geruchsintensität und Ätzwirkung bei der Ausbringung Biomasse ist in Heizkraftwerken zur Mitverbrennung geeignet. Betreiber können den produzierten Strom als Ökostrom ins öffentliche Netz einspeisen und vergüten lassen (EEG). Technologische Weiterentwicklung der KWK mit regenerativen Energien: Innovationen: Brennstoffzellen, Stirling-Motor, Stirling-Dish wirtschaftliche und technische Optimierung der KWK-Anlagen mit Biotreibstoffen zur Steigerung der Effizienz und Wirkungsgrade 32

33 Förderung von KWK (1) Um der Klimaerwärmung entgegenzuwirken und den Ausstoß von Treibhausgasen zu vermindern, hat die Bundesregierung bereits im Jahr 2000 in ihrem Klimaschutzprogramm die KWK als eine wichtige Maßnahme festgeschrieben. Gesetz zur Förderung der Kraft-Wärme- Kopplung (KWKG): (novellierte Fassung von 2008) Erhöhung des KWK-Anteils an der Energieerzeugung in Deutschland bis zum Jahr 2020 auf 25 % Zusätzliche Förderung auch des nicht eingespeisten, selbst genutzten KWK-Stroms durch Zuschlagszahlung Förderung von Mini-BHKW durch einen Zuschlag von 5,11 Cent/kWh für 10 Jahre Erneuerbare Energien im Wärmebereich von 2009 (EEWärmeG): Ziel: Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung bis 2020 auf 14 % Ab 1. Januar 2009 müssen erneuerbare Energien bei Neubauten einen bestimmten Anteil bei der Heizung, Warmwasserbereitung, Kühl- und Prozesswärme betragen. Ersatzweise ist auch die Deckung des Wärmeenergiebedarfs aus KWK möglich, z. B. wenn diese hocheffizient ist und den Wärmebedarf zu mehr als 50 % deckt oder die Wärme aus gasförmiger Biomasse in KWK erzeugt wird. 33

34 Förderung von KWK (2) Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG): (novellierte Fassung vom 1. Januar 2009) Hinweise KWK-Bonus: Einspeisevergütung von 3 Cent/kWh für Strom aus Biomasse, wenn dieser gleichzeitig in KWK hergestellt wird Öko-Steuer Regelungen für KWK: Rückerstattung der Energiesteuer auf Erdgas, Heizöl, Pflanzenöl oder Flüssiggas (Energiesteuergesetz, 53) Befreiung von der Stromsteuer Berliner Landesenergieprogramm ( ): Unterstützt ideell den Ausbau von KWK in Berlin: Bau hocheffizienter KWK-Anlagen mit hohen Wirkungsgraden und höchster Primärenergieausnutzung bzw. Optimierung bestehender Anlagen zukunftssichere Beschäftigungsimpulse durch das langfristige Wirtschaftsgut Heizkraftwerk Gesetz zur Förderung von KWK (KWKG) Klimaschutz- Impulsprogramm zur Förderung von Mini- KWK-Anlagen Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) Gesetz Erneuerbare Energien im Wärmebereich (EEWärmeG) Bild: HHS/PIXELIO, 34

35 KWK in Berlin Landesenergieprogramm Berlin Reduktion der CO 2 -Emissionen um 25 % KWK hat in Berlin bereits große Bedeutung: mehr als 280 BHKWs größtes Fernwärmenetz in Westeuropa (1.500 km) 42 % KWK-Anteil am Stromverbrauch 30 % KWK-Anteil am Wärmeverbrauch Forschungs- und Produktionsstandort für innovative KWK-Technologie Möglichkeiten für Berliner, KWK zu nutzen: Einbau einer KWK-Anlage ins eigene Haus Anschluss an das Fernwärmenetz Contracting Fördermöglichkeiten Informationen unter www. kwk-modellstadt-berlin.de, Rubrik: KWK im Einsatz Contracting: Energiedienstleister übernimmt Investition, Wartung und Risiko der KWK-Anlage KfW Förderbank fördert CO 2 - Minderungs- und Modernisierungsmaßnahmen im Wohnungsbestand Bundesförderung von Mini- KWK-Anlagen 35

36 Nah- und Fernwärme in Berlin 36

37 Ausblick KWK (1) KWK zur Umsetzung der Ziele der Energiepolitik Hinweise - Aufgabe Wirtschaftlichkeit Versorgungssicherheit Umweltschutz Eine verbrauchsnahe Energieerzeugung durch KWK kann zur Umsetzung der klimapolitischen Ziele beitragen, da sie folgende Vorteile mit sich bringt*: Ressourcen- und CO 2 -Einsparung durch höhere Energieeffizienz (z. B. kaum Netzverluste durch verbrauchsnahe Energieerzeugung) geringere Störanfälligkeit durch Wetterkatastrophen und Anschläge weniger Stromtransportkosten** sinkende Importabhängigkeit bei effizienterer Ressourcennutzung und Einsatz erneuerbarer Energieträger regionale Förderung durch verstärkte Einbindung lokaler Unternehmen Eine verbrauchsnahe Energieerzeugung birgt die Schwierigkeit, Erzeugung und Verbrauch bedarfsgerecht zu koordinieren und wirtschaftlich zu optimieren. * Deshalb wird KWK-Strom staatlich gefördert. ** Man spart Stromtransportkosten, weil die Nutzung der Höchstspannungsebene vermieden wird. Diskutiert die Vor- und Nachteile einer verbrauchsnahen Energieerzeugung. Führt eine Pro-Contra- Diskussion durch. Bild: G. Altmann/PIXELIO, 37

38 Ausblick KWK (2) Ausbaupotenzial von KWK nach Schätzung des Bremer Energieinstituts und des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt 2005: Hinweise Positive Städtebeispiele in Deutschland mit teilweise über 50 % KWK-Anteil am Stromverbrauch: Flensburg, Schwäbisch Hall, Lemgo, Mannheim, München, Berlin Positive Länderbeispiele in Europa mit 35 bis 50 % KWK-Anteil am Stromverbrauch: Dänemark, Finnland, Niederlande Grafik: B.KWK 38

39 Ausblick KWK (3) Ausblick und notwendige Veränderungen Hinweise Strukturwechsel hin zu einer verbrauchsnahen Energieerzeugung* und erneuerbaren Energien Modernisierung des deutschen Kraftwerkparks (KWK spielt hierbei bereits eine große Rolle) Schaffung von bis zu Arbeitsplätzen (zurzeit ): Hersteller, Planungsbüros, Installationsunternehmen, Servicefirmen, Umweltingenieure und -pädagogen Weiterentwicklung und Verbreitung neuer KWK- Technologien: Biotreibstoff, Brennstoffzelle, Stirling-Motor, Solar-Stirling, Langzeitspeicherung z. B. in Aquiferen** Vernetzung von kleinen KWK-Anlagen zu virtuellen Kraftwerken durch moderne Kommunikationstechnologie, sodass sie wie ein einziges Kraftwerk betrieben werden können * Vielfalt der Energieversorgung durch verstärkt verbrauchsnahe Energieerzeugung ** Aquifere speichern saisonbedingte Überschusswärme aus Heizkraftwerken. Grafik: Virtuelles Kraftwerk, Peter Lehmacher (CREATIVE COMMONS-Lizenz: licenses/by/3.0/) 39

40 Initiative KWK Modellstadt Berlin Energie effizient nutzen Ziele der Initiative: die Berliner Öffentlichkeit über die Technik und Vorteile informieren zum Ausbau des KWK-Anteils beitragen Berlin konsequent als KWK-Modellstadt mit Vorbildfunktion für andere Regionen nicht nur in Deutschland positionieren Schirmherr der Initiative ist Bundesumweltminister Sigmar Gabriel. Eine Initiative der Berliner Energieagentur in Kooperation mit: GASAG Vattenfall Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz 40