MSP

Im ORC-Prozess wird ein organisches Arbeitsmittel verwendet, das bei niedrigeren Temperaturen und Drücken als Wasser verdampft.

Dadurch kann die Anlage effizient niedrige Abwärmequellen nutzen und Strom erzeugen.

Es entstehen Asche und Rauchgase. Die Asche wird entsorgt, während die Rauchgase durch Filter gereinigt werden.

Sie entnimmt zusätzliche Restwärme aus den Rauchgasen und erhöht so die Effizienz der Anlage durch maximale Nutzung der eingesetzten Ressourcen.

Um ein Holzkraftwerk mit ORC-Anlage

Altholz

Grosses Potenzial für die Verwertung in der Schweiz, da noch sehr viel Exportiert wird

Wasser / Dampf

Zuckerfabrik (in Zukunft Fernwärme)

100-mal kleiner

31 MW

Altholz / elektrischer Strom / Prozessdampf / Abwärme / (Fernwärme)

Von der produzierten Endenergie ist rund 80% Wärme (Prozesswärme EMS Chemie und Wärme für die Schnitzeltrocknung) und 20% Strom. Holz ist in der Energiewende ein wertvoller Energieträger, welcher im Gegensatz zu (herkömmlichen) Solarthermieanlagen oder Wärmepumpen in der Lage ist hohe Temperaturen bei gutem Wirkungsgrad zu erzeugen. Daher ist es sinnvoll Holz primär für die Erzeugung von Prozesswärme zu nutzen (eine Dekarbonisierung der Prozesswärme ist ansonsten nur mit biogenen oder synthetischen Treibstoffen und einem damit verbundenen tiefen Wirkungsgrad machbar). Zudem schreibt die KEV (kostendeckende Einspeisevergütung) einen minimalen Wirkungsgrad von 60% für Holzkraftwerke vor. Mit einer reinen Stromproduktion wäre dieser nicht zu erreichen und ohne KEV wäre es bedeutend schwieriger ein Holzkraftwerk wirtschaftlich zu betreiben.

Je nach gewünschtem Temperatur- / Druckniveau wird an geeigneter Stelle in der Turbine durch eine Bohrung Dampf entnommen. Dabei wird auf einen Teil der elektrischen Leistung verzichtet. Beim Block B wird ein Teil des Dampfes nach der Hochdruckturbine entnommen und der Rest über eine Niederdruckturbine weiter entspannt. Um die Verluste klein zu halten, kann auch der Abdampf am Turbinenaustritt (in Domat EMS bei 110°C) noch verwendet werden.

Die Rauchgas Reinigung Anlage im Holzkraftwerk Donat Ems besteht aus: einer SNCR-Anlage, Zyklonen und Gewebefilter mit Trockensorptionsverfahren. Die SNCR-Anlage wird mit Harnstoff betrieben. Die SNCR-Anlage ist dazu da, um die NOx Emissionen zu minimieren, die Zyklonen und die Gewebefilter sind dafür da, um die Staubemissionen zu reduzieren. Das Trockensorptionsverfahren ist, dazu damit Ca(OH)2 die Emissionen von den restlichen Schadstoffen zu minimieren.

Holz ist einer der umweltfreundlichsten Brennstoffe zur Wärmeerzeugung mit 1,5- bis 7-mal weniger UBP-Punkten pro kWh Wärmeenergie als andere Brennstoffe. Auch in Bezug auf den Treibhauseffekt schneidet Holz 4- bis 10-mal besser ab als andere Brennstoffe. Bei der Stromerzeugung schneidet Holz schlechter ab als andere erneuerbare Energieträger wie Wind, Wasser, Sonne und Erdwärme, aber besser als die Primärenergieträger Kernenergie, Erdgas und Müllverbrennung.

Es fallen drei verschiedene Abfallstoffe im Holzkraftwerk Donat Ems an diese sind Kesselasche, Zyklon asche und Filterasche mit Sorptionsmittel. Die Kessel wird meistens nochmal zurück in die Brennkammer gegeben, da es noch einen hohen Brennstoffanteil darin enthalten hat, falls dies nicht der Fall ist, wird sie gesammelt und auf eine Deponie des Typ D oder E entsorgt. Die Zyklonasche wird ebenfalls gesammelt und auf eine Deponie des Typ D oder E entsorgt. Die Filterasche wird rezykliert und wieder genutzt die Reststoffe daraus werden ebenfalls auf einer Deponie des Typ D oder E entsorgt. Die anfallende Asche wird in möglichst grossen Behältern gelagert, um den Abholungsintervall gross zu halten. Der Umgang mit der Asche muss Staubfrei sein so wird die Asche mit Spezialfahrzeugen abgesaugt.

Mit zuverlässigen, langfristig garantierten Holzlieferverträgen und garantierten Abnehmerpreise dank KEV und langjährigem Wärmeliefervertag besteht eine gewisse Sicherheit. Zuverlässiger Betrieb ohne lange Ausfälle ist aber dafür notwendig und die Rendite ist immer noch tiefer als andere Investitionen am Markt.

• Ohne KEV besteht ein grosses Risiko durch den sehr unberechenbaren Strompreis. Zeitweise (vor der Ukrainekrise) war der Strompreis am Markt tiefer pro kWh als der für das Holz bezahlte Energiepreis!

• Strengere Vorschriften und Normen verursachen höhere Investitions- und Betriebskosten

• Der Holz- und Altholzmarkt ist unberechenbar

• Aber zumindest bei den Wärmelieferverträgen kann im Gegensatz zum Strom ein langfristiger Preis garantiert werden

50 %

Die Reaktion von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff

(H2) zu Methan (CH4) geschieht mittels spezieller Mikroorganismen (Archaeen) im Bioreaktor. Der Reaktor hat ein

Fassungsvermögen von 50 m3 und einen Betriebsdruck

von 5-7 bar. Dem Reaktor wird kontinuierlich ein Gemisch

aus Wasserstoff und Klärgas beigefügt. Das Klärgas besteht

dabei bereits zu 65 % aus Methan. Die restlichen

35 % ist das zur Reaktion benötigte CO2. Unter ständigem

Rühren und Zuführen von Klärgas führen die Archaeen

dann bei 55 bis 70 °C folgende chemische Reaktion durch:

𝐶𝑂2 + 4 𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 2 𝐻2𝑂

Die Elektrolysezelle setzt sich aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, sowie einer protonendurchlässigen Membran (PEM) zusammen. Zwischen den beiden Elektroden, die mit Edelmetall beschichtet sind, wird eine Gleichspannung angelegt. Die Elektrolysezelle wird mit dem aufbereiteten Trinkwasser versorgt, das durch die katalytische Wirkung des Edelmetalls elektrochemisch in seine Bestandteile zerlegt wird (vgl. bbildung unten). Die Reaktionsgleichung sieht folgendermassen aus:

2 𝐻2𝑂 + 𝑒𝑙. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 → 2 𝐻2 + 𝑂2

Das Produktgas aus der Methanisierung enthält verschiedene Begleitgase, die vor der Einspeisung in das Erdgasnetz entfernt werden müssen. Der unerwünschte Ammoniak wird durch eine Waschkolonne abgetrennt. Schwefel kann mittels Aktivkohle in sogenannten Aktivkohlesäulen entfernt werden. Da für die Einspeisung ins Gasnetz ein maximaler Anteil an Wasserstoff nicht überschritten werden darf, wird in einem letzten Schritt mit einer Membran der Wasserstoffanteil auf unter 2 % gesenkt. Zukünftig sol-len bis zu 10 Vol.-% Wasserstoff zugelassen sein. Bei gut eingestelltem Betrieb liegt der Wasserstoff-gehalt nach der Methanisierung allerdings bereits unter den vorgegebenen 2 %. Der abgetrennte Was-serstoff wird dem PtG-Prozess wieder zugeführt. Da das Produktgas schlussendlich geruchlos ist, er-folgt vor der Einspeisung ins Gasnetz die Zugabe von Odoriermittel.

Aufgrund des relativ tiefen Wirkungsgrades sind für die Anlage tiefe Stromkosten sowie hohe Gaspreise nötig, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Aufgrund der in der Vergangenheit relativ hohen Strompreisen, wird die Anlage des öf-ters ausgeschaltet und die elektrische Energie direkt ins Stromnetz eingespeist

Aus den Faultürmen der ARA

• Nutzung von Abfallprodukten

• Sektor-Kopplung (Strom, Gas, Wärme und Mobilität)

Kondensationsdruck so hoch gewählt, dass Dampf seine Kondensationsenthalpie zu Heizzwecken abgibt.

Wenig flexibel (Winter-Sommer)

Das Arbeitsmittel ist nicht Wasser, sondern ein organisches wie z.B. Isopentan oder CO2

Auswahl des Arbeitsmittels:

·        Thermodynamische Eigenschaften => Temperaturbereich des kritischen Punktes, Druckbereich, Enthalpiedifferenzen

·        Stabilität (thermische, chemisch) und Verträglichkeit mit Anlagematerialien => nicht korrosiv

·        Umwelt- und Sicherheitsaspekte => ungiftig, nicht brennbar

Verfügbarkeit und Preis

Die Biomasse muss effizient genutzt werden, entweder durch Verbrennung zur Erzeugung von Wärme oder Strom, durch Verarbeitung zu Biokraftstoffen wie Biodiesel oder Ethanol oder durch andere Methoden zur Energiegewinnung.

Die Nutzung von holzartiger Biomasse sollte umweltverträglich sein, was bedeutet, dass Emissionen und andere Umweltauswirkungen minimiert werden müssen.

Idealerweise sollte die Verbrennung oder Nutzung von holzartiger Biomasse kohlenstoffneutral sein oder zumindest die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen reduzieren. Dies liegt daran, dass der Kohlenstoff, der bei der Verbrennung freigesetzt wird, während des Wachstums des organischen Materials aus der Atmosphäre aufgenommen wurde

Bestimmte Pflanzen wie Miscanthus, Riesen-Schilfgras, Switchgrass und Eukalyptus können speziell für die energetische Nutzung angebaut werden, entweder durch Verbrennung, Fermentation zu Biokraftstoffen oder zur Erzeugung von Biogas.

Verschiedene organische Abfälle wie Klärschlamm, Biomüll, Tiermist und Lebensmittelabfälle können zur Biogaserzeugung in Biogasanlagen genutzt werden.

Biomassequellen können je nach Jahreszeit, Witterung und anderen Faktoren variieren, was die kontinuierliche Versorgung und Verarbeitung erschwert.

Biomasse ist oft weniger energiedicht als fossile Brennstoffe, was bedeutet, dass größere Mengen an Biomasse für den gleichen Energiegehalt transportiert werden müssen. Dies kann zu höheren Transportkosten und logistischen Herausforderungen führen.

Die Umwandlung von Biomasse in nutzbare Energieträger erfordert oft komplexere Technologien und Verfahren im Vergleich zur Verarbeitung fossiler Brennstoffe. Dies kann höhere Investitionskosten und Betriebskosten bedeuten.

Obwohl Biomasse als erneuerbare Energiequelle betrachtet wird, können bestimmte Produktions- und Verarbeitungsprozesse negative Umweltauswirkungen haben, wie z.B. Landnutzungsänderungen, Wasser- und Bodenverschmutzung sowie Treibhausgasemissionen.

Die Kaskadennutzung ist per Definition: „die Nutzung eines Rohstoffs über mehrere Stufen. Die Ressourcenpolitik für Holz folgt dem Gedanken einer Kreislaufwirtschaft (siehe 1). In dem Sinne soll die energetische Nutzung von Holz erst dann erfolgen, wenn keine (weitere) stoffliche Verwendung mehr möglich/sinnvoll ist.

Zum Beispiel in Domat/Ems (im Jahr 2016) wird ein Teil der Energiemenge durch Altholz abgedeckt und so die Kaskade genutzt. Ein Teil besteht aus Schlagabraumholz, auch ein Kaskadenprodukt aus der Holzernte. Ein weiterer Teil wird aus niederwertigem Stammholz gewonnen. Dies entspricht nicht der klassischen Kaskadennutzung.

Problemlos kann Waldholz nicht durch Altholz (AH) ersetzt werden. Altholz ist wesentlich günstiger in der Beschaffung, hat aber wesentliche Nachteile in der Rauchgasreinigung (LRV), Transport (bewilligungs- und nachverfolgbarkeits-pflichtig), Aufbewahrung (z.B. geschreddertes AH nur gedeckt, platzbefestigt), sowie Schlacke- und Ascheentsorgung. Zusätzlich muss der unterschiedliche Wassergehalt (Einfluss auf Heizwert) berücksichtigt werden. Fazit: Altholz kann nur mit massiv höheren Anlageninvestitionen und Betriebsaufwand verarbeitet werden. Deshalb nur für grosse Anlagen (ca. >1 MW Feuerungsleistung wie im HKW Aarberg) geeignet.

N-Gehalt des Brennstoffs

O2 -Gehalt im Feuerraum und in der Ausbrandzone

Feuerraumbelastung

Homogenisierung der Verbrennungsgase im Rostbereich

Thermisches NOx bei sehr hohen Temperaturen (>1’400 °C)

Prompt-NOx in Anwesenheit von Kohlenwasserstoff Radikalen in der Flammenzone bei sehr hohen Temperaturen

erste zwei Pfade ergeben für Temperaturen zwischen 800 und 1300 °C sehr geringe Mengen an NOx (< 10 mg/Nm3 )

Brennstoff-NOx (Hauptquelle von NOx aus Biomasse)

Umwandlung zu molekularem Stickstoff: Reaktionen mit NH-, CH-Radikalen, sowie CO und C(s)

gestufte Verbrennung (Luft- und Brennstoffstufung)

Abgasrezirkulation (Reduktion des O2 -Gehalts im Brennraum

Einbindung in Asche (CaSO4, K2SO4), abhängig von Verbrennungs- und Ascheabscheidungstechnik.

Austrag mit Abgasen (SO2, SO3, H2S)

aufgrund des geringeren S-Gehalts keine Minderungsmassnahmen für SO2 Emissionen notwendig

in Form von Salzen

Führt zur Verschlackung, Bildung von Ablagerungen und Korrosion

K2SO4 hat Schmelzpunkt von 1’070 °C, KCl, 760 °C

Gemisch von beiden ist 690 °C

in Form von Salzen (KCl, NaCl), Chlorwasserstoff (HCl), polychlorierten Dioxine und Furane und Organochlor-Verbindungen

bei Gras HCl: 20 bis 120 mg/Nm3 Emissionen @ 11% O2); höher als Grenzwert (30 mg/Nm3)

haben eine Grösse von 1 nm bis 100 mm.

beeinflussen Klima, schädigen Pflanzen und wirken toxisch auf Lebewesen

verstärkte Reflexion und Absorption der Sonnenstrahlung (Abkühlung, Bildung von Wölkentröpfchen)

Partikel kleiner als 1 mm (aerodynamischer Durchmesser) werden nur bedingt von Reinigungsmechanismen der Atemwege erfasst

o  kleiner als 0.1 mm wird die Luft-Blut-Schranke überschritten und können an alle Orte des Körpers transportiert werden.

Toxizität von Grösse, Form, Bestandteilen, angelagerten Stoffen bestimmt

vollständige Verbrennung

unvollständige Verbrennung

Mitreissen von Partikeln aus dem Brennstoff oder der Asche

primären Partikel – direkte Freisetzung

sekundären Partikel – Bildung durch chem. Reaktionen oder physikalischen Vorgängen

Entstehung aufgrund des hohen flüchtigen Anteils

Fragmente der polymeren Bestandteile (Cellulose, Hemicellulose und Lignin)

Entstehung bei ungenügender Vermischung mit Sauerstoff, Temperatur und Verweilzeit

Entstehung in der Flamme durch Agglomeration kleiner C-Cluster

Entstehung bei ungenügender Luftzufuhr, ungleichmässige Entzündung, schlechte Durchmischung von Brennstoff und Luft

Eine Ökobilanzierung kann u. a. als Entscheidungstool eingesetzt werden, um zum Beispiel einen Anlagentyp auszuwählen, Substrate oder Brennstoffe und ihre Umweltwirkungen zu vergleichen. Die Ergebnisse einer Ökobilanzierung ermöglichen Entscheidungen zu treffen, aufgrund ökologischer und quantitativer Informationen.

1. Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens

2. Sachbilanz (Inventar)

3. Wirkungsabschätzung

4. Auswertung

die meisten Verfahren sind bekannt und grosstechnisch erprobt, Innovationen, Nutzung der Sonnenenergie

Nutzung Stromüberschuss, saisonale Speicherung, Sektorkopplung, Weiterbetrieb/-verkauf von Verbrennungsmotoren

·      Generell: sehr «sauber», d.h. kaum Störstoffe, da von Grund auf synthetisiert.

·      Keine «wilden» Mischungen wie Benzin und Diesel. Ausnahme: HTL

·      Kein Schwefel

·      Keine Aromaten => keine Russbildung!

·      Keine krebserzeugenden Stoffe wie Benzen

Wärme für ein Fernwärmenetz kann auf verschiedene Weise aus einem Kombikraftwerk ausgekoppelt werden:

·        Nach der Dampfturbine: Hier kann die Restwärme des Dampfes nach der Expansion in der Turbine genutzt werden. Der Dampf wird in einem Wärmetauscher kondensiert, und die freigesetzte Wärme wird für das Fernwärmenetz verwendet.

·        Zwischenüberhitzer: Ein Teil des Dampfes kann vor der endgültigen Expansion in der Turbine abgezweigt werden, um Fernwärme bereitzustellen.

Die Auskopplung von Wärme für Fernwärme reduziert die verfügbare Arbeit, die in der Dampfturbine geleistet werden kann, und verringert somit den elektrischen Wirkungsgrad des Kraftwerks. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage (elektrisch + thermisch) kann jedoch steigen, wenn die abgegebene Wärme effizient genutzt wird.

Thermodynamische Daten:

·        Einlass- und Auslasstemperaturen sowie -drücke von Gasturbine und Dampfturbine.

·        Durchsatzraten von Luft, Brennstoff und Dampf.

Wirkungsgrade und Verluste:

·        Wirkungsgrade von Kompressor, Gasturbine, Abhitzekessel und Dampfturbine.

·        Wärmeverluste im gesamten Prozess (insbesondere Abgasverluste).

Brennstoffdaten:

·        Brennstoffzusammensetzung und Heizwert.

Daten zur Abwärmenutzung:

·        Temperatur und Menge der ausgekoppelten Wärme.

·        Effizienz des Fernwärmenetzes.

Betriebsdaten:

·        Lastprofile (Volllast, Teillast, Lastwechsel).

Wartungsintervalle und Zuverlässigkeit

• Stationärer Betrieb

• Turbine und Pumpe sind adiabat

• isentrop

• KE = KP = 0

• Reversibel

• Keine Druckabfälle

• Perfektes Arbeitsmittel

• Perfekte Wärmeübertragung

Wirkungsgrad ohne Regenerator

Der Regenerator in einem ORC-Prozess dient dazu, die thermische Effizienz des Systems zu erhöhen, indem er einen Teil der Abwärme des expandierten Arbeitsmediums vor der Kondensation zurückgewinnt und diese Wärme nutzt, um das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Verdampfer vorzuwärmen.

Funktionsweise:

·        Das Arbeitsmedium, das die Turbine verlässt (bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck), wird durch den Regenerator geleitet.

·        Im Regenerator gibt das heiße, expandierte Arbeitsmedium Wärme an das kalte, komprimierte Arbeitsmedium ab, das von der Pumpe kommt.

·        Dadurch wird die Temperatur des Arbeitsmediums, bevor es in den Verdampfer eintritt, erhöht, was die benötigte Wärmemenge zur Verdampfung reduziert.

·        Niedrige Temperaturen: Der ORC-Prozess kann bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, was ihn für Abwärmenutzung und erneuerbare Energiequellen (z.B. Geothermie, Biomasse) geeignet macht.

·        Flexibilität bei Arbeitsmedien: Der ORC-Prozess kann verschiedene organische Arbeitsmedien verwenden, die besser an spezifische thermodynamische Bedingungen angepasst sind.

·        Geringere mechanische Belastung: Durch niedrigere Betriebsdrücke und Temperaturen wird die mechanische Belastung der Komponenten verringert.

·        Niedrigerer Wirkungsgrad: Im Vergleich zu traditionellen Rankine-Zyklen kann der Wirkungsgrad bei ähnlichen Betriebsbedingungen geringer sein.

·        Kosten für Arbeitsmedien: Organische Arbeitsmedien können teurer sein und spezifische Handhabungsanforderungen haben.

·        Technologische Reife: Der ORC-Prozess ist noch nicht so weit verbreitet wie herkömmliche Rankine-Zyklen, was zu höheren Anfangsinvestitionen führen kann.

·        Arbeitsmedium wählen: Auswahl eines optimalen Arbeitsmediums, das für die gegebenen thermodynamischen Bedingungen geeignet ist.

·        Regenerator einsetzen: Verwendung eines Regenerators zur Erhöhung des Wirkungsgrades.

·        Anpassung der Komponenten: Optimierung der Turbine, des Verdampfers, des Kondensators und der Pumpe hinsichtlich Effizienz und Verlustminimierung.

·        Betriebsbedingungen optimieren: Anpassung der Druck- und Temperaturverhältnisse, um den thermodynamischen Wirkungsgrad zu maximieren.

·        Wärmequellen nutzen: Effiziente Nutzung von Abwärmequellen und Integration von zusätzlichen Wärmeaustauschern.

1. Erhöhter Gesamtwirkungsgrad:

   • KWK-Anlagen können Wirkungsgrade von bis zu 90% erreichen, indem sie gleichzeitig Strom und nutzbare Wärme erzeugen. Im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken, die oft nur Wirkungsgrade von 30-40% erreichen, ist dies eine erhebliche Effizienzsteigerung.

2. Reduzierter Brennstoffverbrauch:

   • Durch die höhere Effizienz wird weniger Brennstoff benötigt, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Dies führt zu Kosteneinsparungen und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

3. Verminderte CO₂-Emissionen:

   • Da weniger Brennstoff verbrannt wird, entstehen auch weniger CO₂-Emissionen. Dies trägt zur Reduzierung des Treibhauseffekts und zur Bekämpfung des Klimawandels bei.

4. Versorgungssicherheit:

   • KWK-Anlagen können lokal oder dezentral betrieben werden, was die Abhängigkeit von großen zentralen Kraftwerken verringert und die Versorgungssicherheit erhöht.

5. Flexibilität und Skalierbarkeit:

   • KWK-Anlagen können in verschiedenen Größen und für verschiedene Anwendungen (Industrie, Gewerbe, Wohngebiete) eingesetzt werden. Sie sind skalierbar und können an den spezifischen Energiebedarf angepasst werden.

6. Nutzung von Abwärme:

   • Die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme wird nicht verschwendet, sondern für Heizzwecke, Warmwasseraufbereitung oder industrielle Prozesse genutzt. Dies erhöht die Gesamteffizienz des Systems.

1. Hohe Anfangsinvestitionen:

   • Die Installation von KWK-Anlagen erfordert hohe Anfangsinvestitionen, insbesondere für kleinere Anwendungen. Dies kann eine Hürde für die Implementierung darstellen, obwohl sich die Investitionen über die Betriebszeit amortisieren können.

2. Komplexität und Wartung:

   • KWK-Systeme sind komplexer als einfache Heiz- oder Stromerzeugungssysteme und erfordern daher eine sorgfältige Planung, regelmäßige Wartung und qualifiziertes Personal für den Betrieb.

3. Effizienzverlust bei Teillastbetrieb:

   • Die Effizienz von KWK-Anlagen kann im Teillastbetrieb deutlich geringer sein als im Volllastbetrieb. Dies kann insbesondere in Zeiten schwankenden Energiebedarfs zu einem Problem werden.

4. Eingeschränkte Einsatzmöglichkeiten:

   • KWK-Anlagen sind am effizientesten, wenn sowohl der Strom- als auch der Wärmebedarf kontinuierlich hoch ist. In Gebieten oder zu Zeiten mit geringem Wärmebedarf kann die Effizienz sinken.

5. Emissionen und Umweltauswirkungen:

   • Obwohl KWK-Anlagen effizienter sind als herkömmliche Kraftwerke, produzieren sie immer noch Emissionen, insbesondere wenn fossile Brennstoffe verwendet werden. Es ist wichtig, emissionsarme Technologien und Brennstoffe zu nutzen, um die Umweltauswirkungen zu minimieren.

6. Abhängigkeit von der Wärmeabnahme:

   • Der wirtschaftliche Betrieb von KWK-Anlagen hängt stark von einer kontinuierlichen Wärmeabnahme ab. Wenn die Nachfrage nach Wärme sinkt, kann dies den Betrieb unwirtschaftlich machen.

·        Dampfextraktion: Ein Teil des Dampfes, der normalerweise in die Turbine fließen würde, wird an verschiedenen Zwischenstufen der Turbine entnommen.

·        Wärmeübertragung: Der entnommene Dampf wird in Speisewasservorwärmern (auch als Regeneratoren oder Feedwater Heaters bezeichnet) verwendet, um das Speisewasser vorzuwärmen, das dem Kessel zugeführt wird.

·        Rückführung des kondensierten Dampfes: Der Dampf kondensiert im Wärmetauscher und wird als Wasser zurückgeführt.

·        Erhöhung der Speisewassertemperatur: Das Speisewasser wird auf eine höhere Temperatur gebracht, bevor es in den Kessel eintritt.

Durch diese Methode wird die Menge an zusätzlicher Wärme, die dem Speisewasser im Kessel zugeführt werden muss, reduziert, da das Wasser bereits vorgewärmt ist.

·        Erhöhter Wirkungsgrad:

Die Vorwärmung des Speisewassers reduziert den Brennstoffverbrauch, da weniger zusätzliche Wärme zur Erzeugung des Dampfes notwendig ist. Dies erhöht den thermischen Wirkungsgrad des Kraftwerks.

·        Reduzierte Brennstoffkosten:

Durch den effizienteren Betrieb können die Brennstoffkosten gesenkt werden.

·        Verbesserte Anlagenleistung:

Die Turbine und der Kessel arbeiten effizienter, was die Gesamtleistung der Anlage verbessert.

·        Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten:

Gleichmäßigere Temperaturverläufe und geringere thermische Spannungen tragen zur Verlängerung der Lebensdauer von Kessel- und Turbinenkomponenten bei.

·        Komplexität und Kosten:

Die Installation von Speisewasservorwärmern erhöht die Komplexität des Kraftwerks und erfordert zusätzliche Investitionen in Anlagen und Wartung.

·        Platzbedarf:

Die zusätzlichen Komponenten benötigen zusätzlichen Platz, was insbesondere bei bestehenden Anlagen eine Herausforderung darstellen kann.

·        Leckagen und Wartung:

Es besteht das Risiko von Leckagen in den Wärmetauschern, die zu Wasserverlusten und Wartungsproblemen führen können.

Die regenerative Speisewasservorwärmung hat einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Vorwärmung des Speisewassers die Menge an zuzuführender Wärme reduziert, die im Kessel benötigt wird, um das Wasser in Dampf umzuwandeln. Dies führt zu einer besseren Nutzung der Energie und reduziert die irreversiblen Verluste im Kraftwerksprozess.

Die Zwischenüberhitzung ist eine Methode, um den Wirkungsgrad und die Leistung von Dampfkraftwerken zu verbessern, die auf dem Clausius-Rankine-Zyklus basieren. Sie funktioniert folgendermaßen:

·        Erster Überhitzer: Der Dampf wird im Kessel erzeugt und im Überhitzer auf eine hohe Temperatur überhitzt.

·        Erste Turbinenstufe: Der überhitzte Dampf expandiert durch die erste Turbinenstufe, wo er Arbeit verrichtet und dabei abkühlt.

·        Zwischenüberhitzer: Der teilweise expandierte und abgekühlte Dampf wird aus der ersten Turbinenstufe entnommen und zurück in den Zwischenüberhitzer geleitet. Hier wird er erneut auf eine hohe Temperatur erhitzt.

·        Zweite Turbinenstufe: Der erneut überhitzte Dampf expandiert weiter durch eine oder mehrere nachfolgende Turbinenstufen, bis er schließlich den Kondensator erreicht.

Durch die Zwischenüberhitzung wird verhindert, dass der Dampf während der Expansion zu stark abkühlt und möglicherweise in den Nassdampfbereich übergeht, was zu Erosionsproblemen in der Turbine führen könnte.

·        Erhöhter Wirkungsgrad:

Die Zwischenüberhitzung erhöht die mittlere Temperatur, bei der Wärme dem System zugeführt wird. Dies verbessert den thermodynamischen Wirkungsgrad des Zyklus gemäß dem Carnot-Prinzip.

·        Verbesserte Turbinenleistung:

Durch die Zwischenüberhitzung bleibt der Dampf in der Turbine trockener, was die Effizienz und Lebensdauer der Turbine erhöht und das Risiko von Erosionsschäden verringert.

·        Höhere spezifische Arbeit:

Der Dampf verrichtet mehr Arbeit während der Expansion, was die spezifische Arbeit des Zyklus erhöht und damit die Leistungsdichte der Anlage verbessert

·        Komplexität und Kosten:

Die Einführung eines Zwischenüberhitzers erhöht die Komplexität der Anlage und führt zu höheren Investitions- und Wartungskosten.

·        Zusätzlicher Platzbedarf:

Die Installation von Zwischenüberhitzern erfordert zusätzlichen Platz, was insbesondere bei bestehenden Anlagen eine Herausforderung darstellen kann.

·        Erhöhte thermische Spannungen:

Die unterschiedlichen Temperaturprofile können zu erhöhten thermischen Spannungen in den Anlagenkomponenten führen, was die Materialbelastung erhöht und möglicherweise die Lebensdauer reduziert.

Die Zwischenüberhitzung hat einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad des Clausius-Rankine-Zyklus. Der Wirkungsgrad η eines Dampfkraftwerks kann durch die Zwischenüberhitzung gesteigert werden, weil:

·        Erhöhung der mittleren Wärmezufuhrtemperatur: Die erneute Überhitzung des Dampfes führt dazu, dass die Wärmezufuhr auf einem höheren Temperaturniveau erfolgt. Nach dem Carnot-Prinzip steigt der Wirkungsgrad eines thermodynamischen Prozesses, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke maximiert wird.

·        Verhinderung der Nassdampfphase: Indem der Dampf trocken bleibt, wird die Effizienz der Turbinenarbeit maximiert, und Verluste durch Kondensation und die damit verbundenen thermodynamischen Ineffizienzen werden vermieden.

1. Trocknung

• Beschreibung: Vor der eigentlichen Verbrennung muss das im Holz enthaltene Wasser verdampfen. Dieser Schritt erfordert Wärme, die dem Holz zugeführt wird.

• Temperaturbereich: Bis zu etwa 100 °C.

• Chemische Reaktion: Keine chemische Reaktion, nur physikalische Änderung durch Verdampfung des Wassers.

2. Pyrolyse (Thermische Zersetzung)

• Beschreibung: Bei Temperaturen zwischen 200 °C und 500 °C zersetzt sich das Holz in flüchtige Gase und festes Kohlenstoffmaterial (Holzkohle).

• Produkte:

  • Gase: Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂), und verschiedene organische Verbindungen wie Teere.

  • Feststoffe: Holzkohle und Asche.

• Chemische Reaktionen:

  • Zellulose, Hemizellulose und Lignin im Holz zersetzen sich thermisch in verschiedene Gase und Feststoffe.

  • Beispielreaktion: Holz→ΔKohle+Teer+Gase\text{Holz} \xrightarrow{\Delta} \text{Kohle} + \text{Teer} + \text{Gase}HolzΔ​Kohle+Teer+Gase

3. Verbrennung (Oxidation)

Hauptverbrennungsphase (flüchtige Gase)

• Beschreibung: Die freigesetzten flüchtigen Gase entzünden sich und verbrennen bei ausreichender Sauerstoffzufuhr. Dies ist die Flammenphase der Verbrennung.

• Temperaturbereich: 500 °C bis 1500 °C.

• Produkte: Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und bei unvollständiger Verbrennung auch Kohlenmonoxid (CO) und andere Schadstoffe.

• Chemische Reaktionen:

  • Verbrennung von Methan: CH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}CH4​+2O2​→CO2​+2H2​O

  • Verbrennung von Kohlenmonoxid: 2CO+O2→2CO22\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_22CO+O2​→2CO2​

Nachverbrennungsphase (Holzkohle)

• Beschreibung: Nachdem die flüchtigen Bestandteile verbrannt sind, bleibt die Holzkohle zurück, die weiter verbrennt.

• Temperaturbereich: 500 °C bis 1500 °C.

• Produkte: Kohlendioxid (CO₂) und Asche.

• Chemische Reaktionen:

  • Verbrennung von Kohlenstoff: C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2C+O2​→CO2​

Einflussfaktoren auf die Verbrennung

• Feuchtigkeit des Holzes: Höhere Feuchtigkeitsgehalte erfordern mehr Energie zur Verdampfung des Wassers, was die Verbrennungseffizienz verringert.

• Größe und Form des Holzes: Kleinere und gut zerkleinerte Stücke verbrennen schneller und gleichmäßiger als große Holzscheite.

• Luftzufuhr: Ausreichende Sauerstoffzufuhr ist entscheidend für eine vollständige Verbrennung und die Minimierung von Schadstoffemissionen.

• Verbrennungstemperatur: Höhere Temperaturen fördern eine vollständigere Verbrennung und reduzieren die Bildung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) ist ein chemischer Prozess zur Umwandlung von Synthesegas (eine Mischung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂)) in flüssige Kohlenwasserstoffe und andere Produkte.

Schrittweiser Aufbau aus –CH2– Einheiten: Je länger die Kohlenwasserstoffkette, desto langsamer wächst sie weiter