Aktuell / 24.11.2010

Kraft-Wärme-Kopplung: Mehr an die Wärme denken

Niedrige Kosten für die Minderung von Kohlendioxid-Emissionen sprechen für die Kraft-Wärme-Kopplung. Bild: AGFW

Wenn die Heizung im Keller Wärme und Strom produziert, nennen Experten das Mikro-KWK. Forscher fragen sich aktuell: Was liegt an bei Mikro-KWK? Wie koordinieren wir die vielfältigen Technologien für dezentrale Kraftwerke? Welche Ansprüche an Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gibt es? In Stuttgart haben sich 50 Forscher in 15 Technikvorträgen vernetzt und aktuelle Forschungsergebnisse ausgetauscht. Von der Mikrogasturbine bis zum Wärmeübertrager, alle suchen nach höheren elektrischen Wirkungsgraden und Strategien zur Kostensenkung.

 


Vor dem Hintergrund des gerade entstehenden 6. Energieforschungsprogramms veranstalteten das Bundeswirtschaftsministerium, der Projektträger Jülich und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) am 22. und 23. November 2010 ein Statusseminar zum Thema „Perspektiven der KWK-Technologie“. Gastgeber Professor Manfred Aigner vom DLR an der Stuttgarter Universität skizzierte die Spannbreite: „Die Großkraftwerkszene arbeitet sehr strukturiert. Wir wollen aber auch die Vielfalt der dezentralen Kraftwerke einfangen.“

Potenziale durch Flexibilität

Mikro-KWK in Einfamilienhäusern ist rentabel, wenn thermische und elektrische Speicher eingesetzt werden. Das stellte Professor Wolfram Münch für den Energieversorger EnBW fest. Mit drei Prozent mehr Wirkungsgrad in der stromerzeugenden Heizung ließen sich im Jahr rund 1.000 Euro Rendite realisieren.

 

Der Geschäftsführer der Stadtwerke Rosenheim, Dr. Götz Brühl, betonte die Potenziale der Fernwärme bei marktwirtschaftlichem Herangehen. KWK könne einen rentablen Beitrag zur Regelenergie leisten, wenn sie nicht nur nach Wärme, sondern auch nach den Strompreisen am Spotmarkt geführt werde.

Mikrogasturbine lernt aus Praxis

Bei der Mikrogasturbine (MGT) lassen die Wissenschaftler zahlreiche Praxiserfahrungen in die Forschung einfließen. Axel Widenhorn vom DLR in Stuttgart will mit keramischen Heißgaskomponenten die Temperatur und den Wirkungsgrad erhöhen. „MGT eignen sich hervorragend für Biogas“, meinte Dr. Bernd Krautkremer vom Fraunhofer Institut in Kassel. Bei nur 25 Prozent elektrischem Wirkungsgrad sei aber das Wärmekonzept entscheidend.

 

David Eyler vom Europäischen Institut für Energieforschung in Karlsruhe brachte Projekterfahrung aus Frankreich ein. Mikrogasturbinen könnten sich mit Motoren ergänzen. Ein gekoppelter Aufbau sorge für einen optimierten Betrieb.

Motorentechnik mit unkonventionellen Ansätzen

Sowohl in ersten Konzepten als auch in Feldversuchen versprechen neue Motoren bessere Wirkungsgrade. Ralf Bey baut mit der Entwicklungsfirma Meta in Herzogenrath einen Motor mit 33 Kolbenscheiben, der durch Überexpansion den Wirkungsgrad auf bis zu 50 Prozent führen soll. Professor Peter Eilts von der TU Braunschweig untersucht Konzepte mit alternativen Kolbenführungen für hohe Brennstoffflexibilität.

 

Bessere Wirkungsgrade im Teillastbereich will Dr. Markus Gräf vom UMC Stuttgart bis 2013 mit einem Freikolbenlineargenerator verwirklichen, der ohne Kurbelwelle mit variablem Hubraum und variabler Verdichtung arbeitet. Der Stirling-Motor des Heizungsbauers Viessmann steht kurz vor der Markteinführung. Jaenette Liehr gibt für das wartungsfreie Mikro-KWK-Gerät 96 Prozent Gesamtwirkungsgrad an. Es kombiniert für Einfamilienhäuser einen Freikolbenstirling mit einem Spitzenlastbrenner in kompakter Bauweise.

Flexible organische Arbeitsmittel

Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist zunehmend beliebt zur Stromerzeugung mit niedrigen Temperaturniveaus von 100°C bis 400°C. „Biomasse-Heizkraftwerke haben einen Boom ausgelöst“, sagt Jochen Fink vom Maschinenbauer Dürr. Bei der Nutzung von Abwärme durch verschiedene organische Arbeitsmittel seien nicht nur in der Industrie niedrige spezifische Kosten der Anlagen wichtiger als der Wirkungsgrad zwischen zehn und zwanzig Prozent.

 

Michael Schmidt entwickelt für Devetec in Saarbrücken einen Motor für die Dampfexpansion im ORC-Prozess mit einem doppelt so hohen Wirkungsgrad wie eine ORC-Turbine. Für Dr. Dariusz Szablinski von den Pfalzwerken in Ludwigshafen ist die richtige Dimensionierung des Wärmetauschers nicht nur in Geothermie-Anlagen wichtig, um abhängig vom Wärme tragenden Arbeitsmittel die optimale Rücklauftemperatur zu finden.

Neue Werkstoffe für Wärmeübertrager

Optimaler Wärmeaustausch an Flächen ist der Schlüssel für effektive Wärmespeicherung. Wärmespeicher seien künftig unverzichtbar für die Wirtschaftlichkeit und die Netzintegration von KWK-Strom. So werde KWK vom Problem fürs Netz zur Lösung fürs Netz, meint Dr. Stefan Zunft (DLR). Er entwickelt keramische Wärmeübertrager für den Hochtemperatureinsatz bis 1250°C. Ein Anwendungsbeispiel ist die effiziente Verstromung von Biomasse in Gasturbinenprozessen.

 

Für Professor Reiner Numrich von der Universität Paderborn sind Wärmeübertrager immer Unikate. Auch die bewährten Rohrbündel müsse man anlagenspezifisch durchrechnen. Bei neu entwickelten Drallrohren hat er gegenüber Glattrohren einen um zwanzig Prozent besseren Wärmeübergang gemessen. Allein dies könne den Wirkungsgrad eines Kraftwerks um 0,1 Prozent heben. Bei vielen Jahrzehnten Laufzeit der Kraftwerke spart auch diese Wirkungsgradsteigerung gewaltige Mengen an Kohlendioxid-Emissionen durch Steigerung der Effizienz.

Forschungsbedarf definiert

Für die Vielfalt der KWK-Anlagen gibt es keine Standardlösungen. Darin sind sich Forscher und die Förderer beim Projektträger Jülich und im Bundeswirtschaftsministerium einig. Gemeinsame Ziele der KWK-Forschung sind niedrigere Anlagenkosten und höhere elektrische Wirkungsgrade. Dabei wollen sie Nachteile gegenüber großen Kombikraftwerken wettmachen. Die finanzielle Förderung über die Stromeinspeisung hat bisher verhindert, die Nutzung der Wärme stärker zu fokussieren. Dafür sind Wissenschaft und Politik nun gefordert.

Aktuell geförderte Projekte: