Strom-Erzeugung

Blockheizkraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung)

Bild 41
Bild 41: Stationäre Aggregate aus einem Diesel- oder Gasmotor und einem Generator werden heute schon vielfach in großen Gebäuden zur gleichzeitigen Versorgung mit Wärme und Strom genutzt – das ist Abfallvermeidung in ganz großem Stil, denn die Kühltürme der großen Kraftwerke sind eigentlich riesige Wärme-Mülleimer

Will man in nennenswertem Umfang Strom erzeugen, so muss man – immer noch – den Umweg über die Wärme und die mechanische Energie gehen: Irgendeine Form einer so genannten »Wärmekraftmaschine« (Gasturbine, Dampfturbine, Ottomotor, Dieselmotor) treibt einen Generator an, bewegt diesen also. Zur Erzeugung der Wärme wird in großem Stil chemische Energie in Form von Brennstoffen eingesetzt.

Leider ist der Umwandlungs-Wirkungsgrad von Wärme- in Bewegungsenergie kläglich. Schon ein physikalisches Grundgesetz setzt dem theoretisch möglichen Maximum, abhängig von der nutzbaren Temperatur, enge Grenzen; die Praxis fällt dahinter noch deutlich zurück. So kann man ganz grob bei einem Benzin- oder Gasmotor (Ottomotor) von 25%, bei einem Dieselmotor von 33% Wirkungsgrad ausgehen, d. h., dass nur ein Viertel bzw. ein Drittel der bei der Verbrennung entstehenden Wärme in mechanische (und im Kraftwerk anschließend in elektrische) Energie umgewandelt wird. Zwei Drittel bzw. sogar drei Viertel der Wärme wird weggeworfen.

Muss das so sein? Jein, denn die Gesetze der Physik sind zwar unumstößlich, und die Technik ist unvollkommen, aber Wärme wird doch auch gebraucht! Warum verlagert man das Kraftwerk nicht in das Gebäude, das beheizt werden soll? Dort wird kostbarer Brennstoff, der die Erzeugung hoher Temperaturen erlaubt, verschwendet, um minderwertige Wärme von niedriger Temperatur zu erzeugen. Beides miteinander zu verbinden, zuerst die hohe Temperatur zur Erzeugung von Strom ausnutzen und dann mit der »lauwarmen« Abfallwärme (von »nur« noch 100°C statt etwa 1500°C) das Haus beheizen, das leistet ein Blockheizkraftwerk (BHKW): Ein relativ kleiner Verbrennungsmotor – im Einfamilienhaus deutlich kleiner als ein PKW-Motor – wird mit Erdgas oder Heizöl betrieben und treibt einen elektrischen Generator an. Hier dürfen Sie das tun. Heizöl und Dieselkraftstoff sind chemisch das Gleiche. Ihr Dieselfahrzeug mit Heizöl zu betanken wird dagegen als Steuerhinterziehung geahndet.

Den Strom verkaufen Sie an Ihren öffentlichen Stromversorger, und mit dem »Wärmemüll« heizen Sie Ihr Haus. Da diese so geniale und im Grunde doch so banale Kombination durch die doppelte Nutzung fossile Brennstoffe einspart, wird der Einsatz dieser Technik durch das Gesetz zur Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Gesetz) gefördert und der Stromversorger verpflichtet, Ihnen den Strom zu guten Garantiepreisen abzukaufen – solange Sie ihn nicht selbst sofort aufbrauchen und damit Ihren Bezug aus dem Netz einschränken, was die noch bessere Möglichkeit ist, sofern Sie gerade Bedarf haben.

Die Alternative zum BHKW, deren Einsatz sich optimal hiermit ergänzt, ist die Wärmepumpe. Sie verbraucht erhebliche Mengen zusätzlichen Stroms, den das BHKW erzeugt – und das in erheblichen Mengen, denn die Raumheizung ist bei weitem der größte Energiefresser im Haushalt, noch vor dem Auto! Ein Viertel bis ein Drittel Ihres Brennstoffs in Strom statt Wärme umzuwandeln lohnt also allemal, denn elektrische Energie ist die wertvollste aller im großen Stil genutzten Energieformen und daher auch rund drei Mal so teuer wie Wärme aus dem Heizkessel! Erzeugen Sie also, während Sie heizen, den Strom, den Ihr Nachbar für seine Wärmepumpe zur Raumheizung benötigt, so lohnt sich dies für Sie, für den Nachbarn, für die Umwelt und für nachfolgende Generationen, die auch gern noch etwas Brennstoff und dafür nicht gar so viel CO2 vorfänden!

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Brennstoffzellen

Die Umwandlung mechanischer in elektrische Energie gelingt meist sehr effizient. Eine Turbine in einem Gas-, Dampf- oder Wasserkraftwerk erreicht gut und gern einen Wirkungsgrad über 85%. Der Generator schafft – je nach Größe – mitunter über 99%. Einen Gesamt-Wirkungsgrad dieses Gebildes um 85% darf man also erwarten. Schön für das Wasserkraftwerk! Damit arbeitet es also nahezu ideal.

Dummerweise jedoch muss man – oder musste man bis vor einiger Zeit – immer den Umweg über die Wärme gehen, um chemische zunächst in mechanische Energie (Strömung von Gas oder Dampf) umzuwandeln. Dabei wird ein Brennstoff verbrannt oder spaltbares radioaktives Material gespalten und mit der entstehenden Wärme Wasser gekocht. Das Wasser verdampft und nimmt dadurch beträchtlich an Volumen zu. Diese Zunahme des Volumens kann natürlich mechanische Arbeit verrichten – leider nur mit einem begrenzten Wirkungsgrad von etwa 33% bei traditionellen Kohle- und Kernkraftwerken.

Die Alternativen sind Gasturbinen (bei denen der Treibstoff direkt im Inneren der Maschine verbrannt wird) und (in kleineren und mittleren Anlagen, vor allem zur Kraft-Wärme-Kopplung) Verbrennungsmotoren. Hier wird durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Luft erhitzt, die sich hierdurch ausdehnt, und eine kräftige zusätzliche Volumen-Zunahme durch die Entstehung gasförmiger Verbrennungs-Produkte (Kohlendioxid und Wasserdampf) erreicht. Der Wirkungsgrad ist aber tendenziell auch nicht besser.

Moderne GuD-Anlagen nutzen den Brennstoff zwei Mal aus: Das noch recht heiße Abgas aus dem Motor oder der Gasturbine wird genutzt, um damit Wasser zu verdampfen und zusätzlich eine Dampfturbine anzutreiben. Damit lassen sich annähernd 56% Wirkungsgrad erreichen, doch das ist dann auch die absolute Spitze für Wärmekraftwerke und nur für große Anlagen praktikabel – dies allerdings nicht erst seit gestern, sondern bereits seit 1975.

Daraus erwuchs verständlicherweise der Wunsch, chemische Energie direkt in elektrische umzuwandeln, ohne erst Wärme und hieraus dann mechanische und dann elektrische Energie erzeugen zu müssen – durch eine so genannte kalte Verbrennung, etwa nach dem Vorbild des menschlichen Körpers. Auch dieser oxidiert brennbare Substanzen, ohne heißer als 37°C zu werden, und erzeugt daraus neben Wärme auch mechanische und sogar elektrische Energie, denn das Gehirn und das Nervensystem arbeiten letztlich elektrisch. Man erfinde also eine Maschine, die diesen Prozess nachmacht. Das tat man, und die Erfindung nennt sich heute Brennstoffzelle. Mit großem Optimismus und hohen Erwartungen wurde sie empfangen, doch nach gut 30 Jahren Entwicklungszeit steht sie immer noch »kurz vor der Marktreife«. Leider ist es bis heute nicht gelungen, eine praxistaugliche Brennstoffzelle zu bauen, die einen deutlich besseren elektrischen Wirkungsgrad aufweist als ein durch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine angetriebener Generator.

Man sieht daher den Anwendungsbereich der Brennstoffzelle heute eher in der Kraft-Wärme-Kopplung als Alternative zum BHKW, um die Abwärme ebenfalls nutzen zu können, denn immerhin arbeitet sie sehr leise und erreicht bessere Abgaswerte.

Außerdem bedient sie bereits heute Nischenmärkte dort, wo ein Stromnetz fehlt.