Energiewirtschaft. Teil 2: Grundlagen der Strom- und Wärmeerzeugung. Vorlesung. Jürgen Karl, SS 2008 Speisewasserpumpe

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1 Kesselhaus (Dampferzeuger) Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) Kühltürme Vorlesung Zwischenüberhitzer Kohlelager Energiewirtschaft Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Niederdruck- Entschwefelung) Überhitzer Dampfturbine Hochdruck- Dampfturbine Hochdruck- Speisewasservorwärmer Generator Jürgen Karl, SS 2008 Speisewasserpumpe Speisewasserbehälter Niederdruck- Speisewasservorwärmer Kondensator Kondensatpumpe Teil 2: Grundlagen der Strom- und

2 1. Grundlagen der Kraftwerkskonzepte Kraftwerkspark in der BRD 2. Grundlagen der Feuerungen und Wärmeverteilung 3. Kraft-Wärme-Kopplung Prinzip der Technische Realisierung 4. Effizienz der Energiewandlung Effizienz der Effizienz der Kraft-Wärme-Kopplung ()

3 Grundlagen der

4 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet 1000 Dampfturbinen- Kraftwerke Leistung in MW ,1 0, Wirkungsgrad in %

5 Aufbau eines Dampfkraftwerks Kesselhaus (Dampferzeuger) Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) Kühltürme Kohlelager Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Entschwefelung)

6 Kesselhaus (Dampferzeuger) Dampferzeuger Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) Dampfturbine Kühltürme 5 Generator Kohlelager Speisewasserpumpe Speisewasserbehälter Kondensator Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Entschwefelung)

7 Thermodynamischer Vergleichsprozess des Dampfkraftwerks: Clausius-Rankine-Prozess Wärmezufuhr in eigenem Dampferzeuger erlaubt den Einsatz beliebiger Brennstoffe Dampferzeuger 2, Dampfturbine 5 Temperatur des Arbeitsfluids t in C Generator ,1 bar 300 bar 200 bar 100 bar 60 bar Nachteil: 3 Entropie des Arbeitsfluids s in kj/kgk hohe spez. Investitionskosten 4 20 bar 5 bar 1 bar Speisewasserpumpe Speisewasserbehälter 0 Vorteil: Kondensator geringe Brennstoffkosten Grund- und Mittellastkraftwerke

8 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet 1000 Dampfturbinen- Kraftwerke Leistung in MW ORC-Anlagen 1 Dampfmotor 0,1 Stirling-Motoren 0, Wirkungsgrad in %

9 Stirlingmotor: idealer Kreisprozess (theor. Wirkungsgrad wie beim Carnotprozess) erste Kleinserien (z.b. Fa. Solo) werden verkauft... Hauptprobleme: Wärmeübergang (isotherme Wärmezufuhr bei hohem Temperaturniveau) Kosten

10 Organic Rankine Cycle Clausius-Rankine-Prozess mit organischen Lösungsmitteln Wird vor allem für Abwärmenutzung auf niedrigem Temperaturniveau eingesetzt thermodynamische Besonderheit: Expansion in der Turbine geht nicht ins Naßdampfgebiet... (sehr) niedrige

11 Organic Rankine Cycle Clausius-Rankine-Prozess mit organischen Lösungsmitteln Wird vor allem für Abwärmenutzung auf niedrigem Temperaturniveau eingesetzt max. 270 C Dampfturbine Temperatur des Arbeitsfluids T in C 200 Vorwärmung, Verdampfung, 180 Expansion in Überhitzung der Turbine regenerative Vorwärmung Enthitzung ,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Entropie des Arbeitsfluids s in kj/kgk Regenerator Speisewasserpumpe 31 C Generator zum Heiznetz bzw. Wärmespeicher Vorlauf Kondensator Rücklauf thermodynamische Besonderheit: Expansion in der Turbine geht nicht ins Naßdampfgebiet... (sehr) niedrige

12 Dampfmotor: Alternative zur Dampfturbine im unteren Leistungsbereich wenige kw bis einige 100 kw niedrige Hauptprobleme: Dichtungen/Schmierung (Ziel: ölfreier Betrieb) Beispiele: "Spilling"-Dampfmotor Dampfschraubenmotor Enginion-"SteamCell" Spilling-Dampfmotor Enginion-"SteamCell" Heizgerät

13 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen für flüssige und gasförmige Brennstoffe Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet 1000 Dampfturbinen- Kraftwerke Leistung in MW Gasturbinen ORC-Anlagen 1 Dampfmotor 0,1 Stirling-Motoren 0, Wirkungsgrad in %

14 Gasturbinen Verdichter bar Luft Brenngas Brennkammer C Turbine Rauchgas C Thermodynamischer Vergleichsprozess des Dampfkraftwerks: Joule-Prozess Generator Temperatur des Arbeitsfluids t in C Wärmezufuhr in integrierter Brennkammer erlaubt nur den Einsatz gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe bar Entropie des Arbeitsfluids s in kj/kgk 40 bar 20 bar 10 bar 5 bar 1 bar 1 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 3 4

15 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen für flüssige und gasförmige Brennstoffe Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet Leistung in MW Gasturbinen Dampfturbinen- Kraftwerke kombinierte GUD-Kraftwerke ORC-Anlagen 1 Dampfmotor 0,1 Stirling-Motoren 0, Wirkungsgrad in %

16 GUD- Kraftwerk Brenngas Brennkammer Speisewasserpumpe Dampfturbinen- Kraftwerk Abhitzedampferzeuger Verdichter Gasturbine Gasturbine Rauchgas Dampfturbine Generator Nutzung der Abwärme der Gasturbine erlaubt höchste (bis 60%) Abhitzedampferzeuger bestimmt maßgeblich den Gesamt-Wirkungsgrad geringe Investitionskosten (Leistungsaufteilung 2/3 Gasturbine, 1/3 Dampfturbine) Entgaser Kondensator

17 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen für flüssige und gasförmige Brennstoffe Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet Leistung in MW ORC-Anlagen 1 Gasturbinen Dampfturbinen- Kraftwerke Gasmotoren kombinierte GUD-Kraftwerke Dampfmotor 0,1 Stirling-Motoren 0, Wirkungsgrad in %

18 Vorteile von Kolbenmotoren: hoher Wirkungsgrad (über 40%...) Betrieb ist mit niedrigen Heizwerten möglich Bauarten: Gasmotoren (Ottomotoren) (z.b. Jenbacher, Deutz etc.) Besonders hohe niedrige Emissionswerte (Zündstrahl-) Dieselmotoren geeignet für besonders niedrige Heizwerte besonders günstig (meist umgebaute LKW-Motoren) hohe Emissionen

19 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen für flüssige und gasförmige Brennstoffe Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet Leistung in MW ORC-Anlagen 1 Gasturbinen Dampfturbinen- Kraftwerke Gasmotoren kombinierte GUD-Kraftwerke Dampfmotor 0,1 Stirling-Motoren Microturbines 0, Wirkungsgrad in %

20 Microturbinen C 3-5 bar G Begriff "Microturbine": Microturbines sind kleine Gasturbinen mit Rauchgas-Rekuperator (Wärmetauscher) Rauchgas-Rekuperator (Wärmetauscher) reduziert Abgasverluste Leistungsbereich kw, % Rekuperator- Gasturbine ("Microturbine")

21 und Leistungsbereiche üblicher Arbeitsmaschinen Arbeitsmaschinen für flüssige und gasförmige Brennstoffe Arbeitsmaschinen auch für feste Brennstoffe geeignet Leistung in MW ORC-Anlagen 1 Gasturbinen Dampfturbinen- Kraftwerke Gasmotoren kombinierte GUD-Kraftwerke Dampfmotor Brennstoffzellen 0,1 Microturbines Stirling-Motoren 0, Wirkungsgrad in %

22 Brennstoffzellen-Konzepte Niedertemperatur-Brennstoffzellen (Brennstoff: H2) Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Brennstoff: H2, CO, CH4) Typ Leistungsbereich Temperaturbereich Reformierung beim Betrieb mit Erdgas AFC Alcaline Fuel Cell einige W bis einige 100 kw C extern PEM Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC Molten Carbonate Fuel Cell SOFC Solid Oxide Fuel Cell einige W bis einige 100 kw einige 10 kw bis einige 100 kw einige 100 kw bis einige MW einige kw bis einige MW C extern C extern 650 C externe und interne Reformierung C externe und interne Reformierung

23 Institut für Wärmetechnik Beispiel: SOFC-Brennstoffzelle: keramische Membran H2 Kohlendioxid CO2 Wasserdampf Brenngasreste H2O - CH4 CO O2- H2 CO H2O CH4 + H2 CH4 Methan und Wasserdampf keramische Membran leitet Sauerstoff-Ionen CH4 O2 N2 O2 Anode O2 N2 N2 Kathode O2 Sauerstoff / Luft Ablaufende Reaktionen: CO + O 2 CO2 + 2 e H 2 + O 2 H 2O + 2 e Anode: 3 H 2 + CO CH 4 + H 2O Arbeitstemperatur > 800 C verträgt auch Methan und CO N2 N2 O2 H2 (Rest-) Sauerstoff / Luft Kathode: 2 O2 + 2 e 4 O 2 Gesamtreaktion: CH O 2 2 H 2 O + CO 2 "Reformierung"

24 Beispiel PEM: Brennstoffzellen-Heizgerät von Vaillant Brennstoffzellen-Fahrzeuge von Daimler-Chrysler, Opel etc... Stack-Hersteller sind Ballard, Plug-Power (USA), Siemens Membran-Hersteller sind Ballard (Naphion), DuPont, DowChemicals NECAR mit Brennstoffzellen-Antrieb (Daimler-Chrysler) Beispiel DMFC: Tragbare Brennstoffzellen-Anwendungen Smart-Fuelcell GmbH (Batterie-Ersatz) für Laptops, Wohnmobile, etc. 25 W Brennstoffzellen-System der Fa. SmartFuelcell

25 Beispiel SOFC: Brennstoffzellen- Heizgerät (Sulzer-Hexis) Brennstoffzellen-Heizgerät von Sulzer Hexis 300 kw Kraftwerk von Siemens-Westinghouse 110 kw SOFC-Brennstoffzelle der Fa. Siemens-Westinghouse Beispiel MCFC: "Hot Module" Salzschmelze ("Molten Carbonate", Li 2 CO 3 -K 2 CO 3 ) leitet Carbonat-Ionen Arbeitstemperatur um 650 C verträgt CO Hot-Module mtu, Ottobrunn

26 Anteil der Energieträger zur Österreich für das Jahr 2006 Quelle: Statistik Austria

27 Anteile in Österreich (Stand 2006) Wasserkraftwerke (Laufkraftwerke) stellen 30% der "installierten Leistung" ca. 60% des erzeugten Stroms stammt aus Wasserkraftwerken (Laufkraftwerke) Laufkraftwerke werden fast ausschließlich zur Deckung der Grundlast eingesetzt Dampfkraftwerke (Steinkohle, GUD) hauptsächlich zur Deckung von Grund- und Mittellast Spitzenlast wird hauptsächlich durch Speicherkraftwerke und Gasturbinen-Kraftwerke gedeckt erzeugter Strom installierte Kraftwerksleistung

28 Anteil der Energieträger zur

29 Anteil der Energieträger zur in der BRD für das Jahr 2000 Kraftwerksart Installierte Nettoleistung (brutto) Anteil an der Anteil am Primärenergieverbrauch Anteil an den CO 2 - Emissionen in [MW] [in PJ] Kernenergie ,6 33,4% 13,0% 0,0% Braunkohle ,2 28,1% 10,1% 18,8% Steinkohle ,4 25,5% 9,1% 13,8% Erdgas und sonstige gasförmige Stoffe ,2 7,3% 2,5% 2,1% Heizöl ,2 0,4% 0,2% 0,3% Wasserkraft ,7 4,5% 0,6% 0,0% sonstige regenerative Energieträger ,3 0,7% k.a. 0,0% Summe ,6 100,0% 35,5% 34,9%

30 Dampfkraftwerke stellen ca. 2/3 der "installierten Kraftwerksleistung" ca. 90% des erzeugten Stroms stammt aus Dampfkraftwerken Anteil in der BRD (im Jahr 2000) Ursache für den hohen Anteil der in Dampfkraftwerken Dampfkraftwerke werden überwiegend in Grund- und Mittellast eingesetzt 100% Gasturbinen-Kraftwerke liefern überwiegend Spitzenstrom (Ausnahhme: GUD-Kraftwerke, Industriekraftwerke) 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% sonstige Regenerative Wasserkraft Heizöl Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernkraft Dampfkraftwerke installierte Kraftwerksleistung erzeugter Strom Dampfkraftwerke

31 Anlagenauslastung und Bruttowirkungsgrad der in der BRD für das Jahr 2000 Anlagenauslastung (Jahresvolllaststunden) Brutto- Wirkungsgrad in [MWh/MW] Kernenergie ,9% Braunkohle ,6% Steinkohle ,0% Erdgas und sonstige gasförmige Stoffe ,9% Heizöl ,6% Wasserkraft sonstige regenerative Energieträger Ursache für den hohen Anteil der in Dampfkraftwerken Dampfkraftwerke werden überwiegend in Grund- und Mittellast eingesetzt Gasturbinen-Kraftwerke liefern überwiegend Spitzenstrom (Ausnahhme: GUD-Kraftwerke, Industriekraftwerke)

32 Grundlagen der

33 Abgas (ca C) Einsatzbereich von Kleinfeuerungen: Haushalte und Gewerbe geringe Investitionskosten (Serienfertigung!) geringe Verteilungsverluste Vorlauf (ca C) Rücklauf (ca C) Kesselanlage

34 Heizwerk Rücklauf (ca C) Vorlauf (ca C) Wärmeübergabestation Einsatzbereich von Heiznetzen Kommunale Energieversorger (Stadtwerke) Industriebetriebe mit Prozesswärme-Bedarf hohe Investitionskosten (fürs Heiznetz...) teilweise hohe Verteilungsverluste

35 Druckbehälter Sattdampf 1-25 bar Rauchgas Wendekammer Rauchrohre Flammrohr Wendekammer Brenner Speisewasser Aufbau eines Großwasserraumkessels geeignet für Sattdampf bis 25 bar auch für Feststofffeuerungen als "Rauchrohrkessel" ausgeführt

36 Brennstoffzufuhr Trommel Rauchgasreinigung (Gewebefilter) Aufbau einer Rostfeuerung mit Naturumlauf- Dampferzeuger Vorschubrost Saugzug Frischlüfter Rostascheabzug Flugascheabzug Wasserrohr-Kessel werden besonders zur Dampferzeugung bei höheren Dampfdrücken (> 25 bar) eingesetzt

37 e) Gas- oder Einblasfeuerung Sekundärluft Primärluft gas oder staubförmiger Brennstoff Rauchgas Asche b) Rostfeuerung Brennstoff Sekundärluft Sekundärluft Primärluft Rauchgas Asche Feuerungskonzepte: Gasfeuerungen sind besonders einfach (und billig) Feststofffeuerung (z.b. Rost- oder Wirbelschichtfeuerungen) c) Stationäre Wirbelschichtfeuerung Rauchgas d) Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung Rauchgas Brennstoff Brennstoff Sekundärluft Primärluft

38 Anteil der Energieträger für die *) Bereitstellung von Nutzwärme in der BRD für das Jahr 1999 Energieträger Endenergiebedarf Raumheizung und Prozesswärme Anteil am Endenergiebedarf für Raumheizung und Prozesswärme Anteil am Primärenergie-bedarf der BRD Anteil an den CO 2 -Emissionen der BRD PJ in % in % in % Kohle ,6 % 4,5 % 7,8 % Heizöl ,7 % 9,6 % 12,6 % Erdgas ,3 % 16,8 % 14,5 % Strom ,6 % (4,1 %) (11,8 %) Fernwärme 1) 343 6,2 % 2,4 % 3,2 % Solarthermie 5,3 0,1 % 0,0 % 0,0 % Biomasse 187 3,4 % 1,3 % 0,0 % Summe 1) aus fossilen Brennstoffen 2) ohne Nutzwärmeerzeugung aus Strom ,0 % 33,4 % 2) 38,8 % 2)

39 Kraft-Wärme-Kopplung ()

40 Energiebilanz Kraft-Wärme-Kopplung: Vorteil der Brennstoffausnutzung verbessert sich durch die Kraft-Wärme-Kopplung (besserer "Gesamtwirkungsgrad")

41 Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: gleichzeitige Strom- und in dezentralen Heizkraftwerken getrennte Erzeugung Heizkraftwerk Kesselhaus (Dampferzeuger) Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) Kühltürme Heizwerk Vorlauf (ca C) Kohlelager Abgas (ca C) Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Entschwefelung) Großkraftwerk Rücklauf (ca C) Nah- bzw. Fernwärme-Netz Vorlauf (ca C) Wärmeübergabestation Wärmeübergabestation Rücklauf (ca C) Kesselanlage Hausfeuerung in (großen) zentralen Kraftwerken in dezentralen Heizungsanlagen

42 Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: getrennte Erzeugung Heizkraftwerk Kesselhaus (Dampferzeuger) Maschinenhaus (Dampfturbine, Kondensator, Generator) G Kühltürme 33% Heizwerk G Kohlelager Abgas (ca C) Rauchgasreinigung (Entstaubung, Stickoxidmindernug, Entschwefelung) Großkraftwerk Rücklauf (ca C) Nah- bzw. Fernwärme-Netz Vorlauf (ca C) Wärmeübergabestation Vorlauf (ca C) 52% Rücklauf (ca C) Kesselanlage Hausfeuerung

43 Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: getrennte Erzeugung 60% 100% G 40% Strom 30% G 100% 70% 65 % (Nutz-) Wärme 55% 15% Brennstoffeinsatz 170% Verluste 63% Brennstoffausnutzungsgrad 62 % 3% Brennstoffeinsatz 100 % Verluste 15 % Brennstoffausnutzungsgrad 85 %

44 Energiebilanz Kraft-Wärme-Kopplung: Vorteil der Brennstoffausnutzung verbessert sich durch die Kraft-Wärme-Kopplung (besserer "Gesamtwirkungsgrad") aber: elektrischer Wirkungsgrad der reduziert sich... thermischer Wirkungsgrad der reduziert sich... ist nicht immer effizienter als die getrennte Erzeugung...

45 Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: getrennte Erzeugung 60% Minderung des elektrischen s G 40% 30% G 100% 100% Minderung des thermischen s 70% 65 % 55% 15% Erhöhung der Abwärmeverluste Brennstoffeinsatz 170% Verluste 63% Brennstoffausnutzungsgrad 62 % 3% Brennstoffeinsatz 100 % Verluste 15 % Brennstoffausnutzungsgrad 85 %

46 Technische Realisierung der Kraft-Wärme-Kopplung: Isar Heißwassernetze Nord und Freimann (140 C) Dampfnetz Innenstadt (8 bar, 200 C) Isar Heißwassernetz Sendling (140 C) Heißwassernetz Perlach (140 C) Heißwassernetze Nord und Freimann (140 C) Dampfnetz Innenstadt (8 bar, 200 C) Fernwärmenetze Heißwassernetz Sendling (140 C) Heißwassernetz Perlach (140 C) Fernwärmenetz der Stadtwerke München

47 Technische Realisierung der Kraft-Wärme-Kopplung: Isar Heißwassernetze Nord und Freimann (140 C) Dampfnetz Innenstadt (8 bar, 200 C) Nahwärmenetze Heißwassernetz Sendling (140 C) Heizwerk Heißwassernetz Perlach (140 C) Rücklauf (ca C) Vorlauf (ca C) "Mikro-" Wärmeübergabestation Dampfkraftwerke Gasturbinen-Kraftwerke GUD-Kraftwerke Fernwärmenetze Motoren-Block-Heizkraftwerke (BHKW) ORC-Prozess Dampfmotoren Brennstoffzellen-HKW Vorlauf (ca C) Rücklauf (ca C) Abgas (ca C) Kesselanlage Mini-BHKW Mikroturbinen Brennstoffzellen-Heizgeräte Stirling-Motoren Dampfmotoren

48 bei der Strom- und

49 bei der Wichtigstes Prinzip bei Kreisprozessen: Temperaturniveaus der Wärmezu- und -abfuhr bestimmen den theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad (= "Carnot-Wirkungsgrad")

50 Strom kann mit Kreisprozessen nur erzeugt werden, wenn gleichzeitig Wärme an die Umgebung abgeführt wird Temperatur T T 1 System 1 (z.b. heißes Rauchgas) q zu mittleres oberes Temperaturniveau w t Kreisprozess T 2 q ab System 2 (z.b. Umgebung) mittleres unteres Temperaturniveau Entropie s maximaler Wirkungsgrad ("Carnot-Wirkungsgrad") η CR = w t, ideal q zu = 1 T T ab zu

51 Strom kann mit Kreisprozessen nur erzeugt werden, wenn gleichzeitig Wärme an die Umgebung abgeführt wird entscheidend ist das mittlere Temperaturniveau der Wärmezu- und abfuhr 100% Thermischer Wirkungsgrad 80% 60% 40% 20% 0% Carnot- Wirkungsgrad T zu beim Dampfkraftprozess Dampf- turbinen- Kraftwerke GUD Kraftwerke mittleres Temperaturniveau der Wärmezufuhr in C T zu bei Gasturbinenprozess Gasturbinen- Kraftwerke

52 12% Beispiel: Abhängigkeit des thermischen s des Dampfkraftprozesses von den Frischdampfparametern Wirkungsgrad steigt mit Temperatur und Druck Ziel wirkungsgradsteigernder Maßnahmne ist immer Erhöhung des Temperaturniveaus der Wärmezufuhr Änderung des thermischen s 10% 8% 6% 4% 2% 0% Frischdampftemperatur 600 C 570 C 540 C 510 C Frischdampfdruck in bar

53 Temperatur des Arbeitsfluids T in C bar 60 bar 20 bar 300 bar 200 bar 100 bar 60 bar 5 bar 1 bar Anmerkung: 100 auch Druckerhöhung bewirkt Anhebung des "mittleren Termperaturniveaus der Wärmezufuhr" 0 0,1 bar Entropie des Arbeitsfluids s in kj/kgk

54 bei der Wichtigstes Prinzip bei Kreisprozessen: Temperaturniveaus der Wärmezu- und -abfuhr bestimmen den theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad (= "Carnot-Wirkungsgrad") Einzige technische Möglichkeit zur Umgehung des Carnot-s: Brennstoffzellen Brennstoffzellen erlauben die direkte Umwandlung chemisch gebundener Energie in Strom thermodynamischer Wirkungsgrad der BZ sinkt allerdings mit zunehmender Prozesstemperatur Ohm'sche Verluste reduzieren den Wirkungsgrad zusätzlich...

55 Thermodynamischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in % 100% 80% 60% 40% 20% 0% Carnotprozess Prozess-Temperatur in C 100% H 2 1 bar Beispiel: Wirkungsgrad der SOFC-Brennstoffzelle thermodynamischer Wirkungsgrad sinkt mit Prozesstemperatur

56 Heizwert- Spannung U0,max UN Zellen-Spannung U in V 20% 0% 60% 40% 0 100% Thermodynamischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in % 80% % Nernst- Spannung "Strom- Spannungs- Kennlinie" Stromdichte in ma/cm² Prozess-Temperatur in C Beispiel: Wirkungsgrad der SOFC-Brennstoffzelle thermodynamischer Wirkungsgrad sinkt mit Prozesstemperatur

57 Heizwert- Spannung U 0,max Thermodynamischer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in % 100% 80% 60% 40% 20% 0% Prozess-Temperatur in C 800 "thermodynamische" Verluste ("Verdichtungs"-verluste) Abwärmeverluste (Ohm'sche Verluste) el. Nutzleistung % Stromdichte in ma/cm² Beispiel: Wirkungsgrad der SOFC-Brennstoffzelle thermodynamischer Wirkungsgrad sinkt mit Prozesstemperatur ohm'sche Verluste etc. reduzieren Wirkungsgrad zusätzlich Nernst- Spannung "Strom- Spannungs- Kennlinie" U N Zellen-Spannung U in V

58 bei der Wichtigstes Prinzip bei der : Abgasverluste bestimmen den Wirkungsgrad eines Wärmeerzeugers Rauch- bzw. Abgasverluste Brennstoffwärme Strahlungsverluste Verteilungsverluste Ascheverluste Energiebilanz der Nutzwärme

59 Beispiel: Temperatur in C Abhängigkeit der Abgasverluste von der Rücklauftemperatur des Heiznetzes Rauchgastemperatur Wassertemperatur t Abgas = 220 C t Abgas = 160 C 200 t R = 120 C 0 t R = 60 C 0% 20% 40% 60% 80% 100% übertragene Wärme Q η K = 89 % η K = 92 %

60 Beispiele: Temperatur in C Abhängigkeit der Abgasverluste von der Rücklauftemperatur des Heiznetzes Abhängigkeit der Abgasverluste vom Luftüberschuss bei der Verbrennung T ad = 2000 C (λ = 1) T Ad = 800 C (λ = 2,5) Rauchgastemperatur Wassertemperatur t Abgas = 220 C t R = 120 C 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% übertragene Wärme Q η K = 72,5 % η K = 89 %

61 Beispiel: Rauchgaskondensation ("Brennwerttechnologie") Zusätzliche Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Rauchgases ermöglicht "" über 100% Temperatur in C Brennstoffausnutzungsgrad ohne Rauchgaskondensation mit Rauchgaskondensation Wassertemperatur 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% übertragene Wärme Q η K = 96 % η K = 105 % Rauchgastemperatur ΔQ max = 111 % t SW = 30 C

62 Beispiel: Abhängigkeit des elektrischen s von den Abgasverlusten beim Stirlingmotor Temperatur in C maximaler Wärmenutzungsgrad ("Kesselwirkungsgrad") maximaler thermischer Wirkungsgrad 0 realer thermischer Wirkungsgrad Rauchgastemperatur 0% 20% 40% 60% 80% 100% η K = 65 % η th,max = 44 % η th = 30 % t ad,0 = 2000 C (λ = 1,2) isotherme Wärmezufuhr isochore Abkühlung Stirling mit Gasfeuerung isotherme Wärmeabfuhr Brennstoffwärme Q isochore Erwärmung Rauchgasverluste 0% 20% 40% 60% 80% 100% η K = 65 % 20 % 13 % Stirling mit Biomassefeuerung t ad,0 = 1000 C (λ = 2,5) Rauchgastemperatur Brennstoffwärme Q innere Verluste des Stirling-Prozesses Abwärmeverluste des Stirling-Prozesses

63 bei der Kraft-Wärme-Kopplung getrennte Erzeugung 60% G 40% 30% G 100% 100% 70% 65 % 3% 55% 15% Energiebilanz der ist nicht immer effizienter als die getrennte Erzeugung...

64 Kraft-Wärme-Kopplung Anteil Brennstoffnutzungsgrad 100% 75% 50% 25% 0% 100% 80% Sollbereich 60% η w, = 90 % η el, = 10 % 40% η w, = 60 % 20% η el, = % η el, = 20 % 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% getrennte Erzeugung GUD + Brennwertkessel: η el = 60 %, η w = 105 % BRD-Mix: η el = 36 %, η w = 90 % Gasturbine + Ölkessel Bj η el = 20 %, η w = 75 % Anteil Brennstoffausnutzungsgrad bei der und der getrennten Erzeugung

65 Fazit: ist nicht immer effizienter als die getrennte Erzeugung! Wirkungsgradvorteile ergeben sich nur dann wenn die Arbeitsfähigkeit der Abwärme einer Arbeitsmaschine anders nicht wirtschaftlich genutzt werden kann (z.b. Gasmotor, Gasturbinen)... wenn die Wirkungsgradverluste der klein sind gegenüber dem Zugewinn an Wärmeleistung (z.b. Gegendruck-Dampfturbine)... wenn Altanlagen ersetzt werden

66 Wesentliche Vorteile der : verbesserte Wirtschaftlichkeit von Kleinanlagen (Beispiel: Biomasse-Kraftwerk)... Ersatz von kostspieligen Reserve- und Spitzenlast-Kraftwerken (z.b. mit "virtuelle Kraftwerken") Verbesserung der Versorgungssicherheit im liberalisiertem Strommarkt...

67 erfolgt derzeit überwiegend mit Dampfkraftwerken (Grund- und Mittellast) und Gasturbinen-Kraftwerken (Spitzenlast) in Österreich hauptsächlich Wasserkraft, Ausbau ist allerdings kaum nicht dieser Technologien sind bereits weitgehend ausgereizt Neue Technologien sind derzeit zu teuer und uneffizient Markteinführung neuer Technologien (z.b. Brennstoffzellen) kann nur über 'Nischenanwendungen' erfolgen Hauptproblem der deutschen Energiewirtschaft: Momentan werden in nennenswertem Umfang weder konventionelle noch innovative Technologien umgesetzt...