Aufgabe Vorschlag B - 2 - Kraftwerke und Kraft-Wärme-Kopp… · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2022

2.1 Skizzieren und beschriften Sie das Funktionsschaltbild eines BHKW.

Lösung: Skizze und Beschriftung mit den Hauptkomponenten: - Motor mit Brennstoffzufuhr (Gas, Öl) - Generator zur Stromerzeugung und Anschluss an elektrische Verbraucher - Kühlwasser-Wärmetauscher am Motor - Abgaswärmetauscher in der Abgasleitung - Heizkreislauf (Heiznetz / Verbraucher) zur Abwärmenutzung

2.1 Beschreiben Sie die Funktionsweise eines BHKW.

Lösung: Dem Motor wird das Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Bei der Verbrennung des Treibstoffs im Motor wird chemische Energie in mechanische und thermische Energie umgewandelt. Der Motor treibt einen Generator an. Dabei wird die mechanische Energie im Generator zu elektrischer Energie umgewandelt, welche von den elektrischen Verbrauchern genutzt werden kann. Die thermische Energie des Motorblocks wird über einen Wärmetauscher abgegriffen und an das Heiznetz abgegeben. Die thermische Energie, die mit den heißen Abgasen aus der Verbrennung abgeführt wird, wird ebenfalls über einen Wärmetauscher an das Heiznetz abgegeben.

2.2 Geben Sie die Stellen in der mobilen Kläranlage an, welche vom BHKW mit Energie versorgt werden müssen.

Lösung: Mit elektrischer Energie versorgt werden müssen: - Alle Pumpen, Schieber und Ventile, welche für einen kontinuierlichen Durchfluss des Abwassers durch die Becken der Kläranlage sorgen müssen. - Pumpen etc., welche die Schlämme aus den jeweiligen Becken verbringen. - Die Steuerungs- und Regelungstechnik der gesamten Anlage. - Die Drucklufterzeuger, welche im belüfteten Sandfang und dem Belebungsbecken für die erforderliche Belüftung sorgen. - Das mechanisch angetriebene Rechenwerk. Mit thermischer Energie versorgt werden müssen: - Der Faulraum, in dem der Überschussschlamm behandelt wird. - Bei niedrigen Außentemperaturen das Belebungsbecken.

2.3 Berechnen Sie die elektrische Leistung des BHKW bei einem thermischen Wirkungsgrad von 45 % und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 %.

Lösung: $416{,}4$ kW

2.3 Berechnen Sie die thermische Leistung des BHKW bei einem thermischen Wirkungsgrad von 45 % und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 %.

Lösung: $468{,}45$ kW

2.4 Begründen Sie, dass Mikro-BHKW aus umwelttechnischer Sicht förderungswürdig sind, auch wenn sie nicht zu den regenerativen Energieerzeugern gehören.

Lösung: - Sofern die gasbetriebenen Mikro-BHKW alte Ölheizungen ersetzen, erzeugen sie die Energie sehr viel emissionsärmer, insbesondere hinsichtlich des $\mathrm{CO_2}$-Ausstoßes. - Dadurch, dass sie im Bedarfsfall als Heizung zur Gebäudeerwärmung einspringen und dabei gleichzeitig elektrische Energie liefern können, haben die gasbetriebenen Mikro-BHKW einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad von bis zu $90\,\%$. Somit ist ihr Primärenergiebedarf sehr gering. - Die BHKW gehören zu den dezentralen Energieversorgungssystemen, was hinsichtlich Umwandlungs- und Transportverlusten zu einer besseren Energieausnutzung führt und damit Primärenergie einspart. Sofern der Strom auch für den Eigenbedarf genutzt werden kann, entfallen hier z.B. Energietransportverluste der großen Stromnetze. - Wenn die BHKW als Heizungen anlaufen, gibt es in der Regel auch einen höheren Strombedarf im Stromnetz, da im Winter der Bedarf an elektrischer Energie höher als in den warmen Monaten ist. Sofern diese Anlagen in das Stromnetz einspeisen, entfällt also der Nachteil, dass sie nur elektrische Energie liefern, wenn sie auch Wärme abgeben.

2.5 Erklären Sie die Funktionen von stromgeführten und von wärmegeführten Blockheizkraftwerken. Entscheiden Sie, ob die in privaten Wohngebäuden installierten Mikro-BHKW und die großen BHKW für die Versorgung der mobilen Kläranlagen jeweils strom- oder wärmegeführt sind.

Lösung: Erklärung: - Stromgeführte BHKW arbeiten in den Zeiten, in denen ein Strombedarf vorliegt. Dementsprechend haben sie den Hauptzweck elektrische Energie zu liefern und die dabei entstehende Abwärme ist ein Nebenprodukt, welches zusätzlich genutzt werden kann. - Wärmegeführte BHKW arbeiten als Heizungsanlagen in den Zeiten, in denen das Versorgungsobjekt einen Wärmebedarf hat. Das dabei entstehende Nebenprodukt elektrische Energie kann genutzt werden, um gegen eine Vergütung in das Elektrizitätsnetz eingespeist zu werden oder für den Eigenbedarf gespeichert oder direkt genutzt zu werden. Entscheidung: - Mikro-BHKW aus Wohngebäuden sind wärmegeführte Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Als solche ersetzen sie herkömmliche Heizungsanlagen in Wohngebäuden. Bereitstellung von thermischer Energie ist also Hauptzweck und die elektrische Energie ist Nebenprodukt. - Da in den mobilen Kläranlagen ein ständiger und weitgehend gleichbleibender Bedarf an elektrischer Energie vorherrscht und die Abwärme nur bei niedrigeren Außentemperaturen für die Aufrechterhaltung der biologischen Prozesse benötigt wird, sind diese BHKW stromgeführt.

2.6 In Biogasanlagen werden ebenfalls BHKW eingesetzt, um das bei der Vergärung von Biomasse entstandene Faulgas zu verstromen. Der Betreiber einer Biogasanlage gibt dazu an, dass sein BHKW ein Grundlastkraftwerk ist. Nehmen Sie dazu Stellung.

Lösung: - Grundlastkraftwerke müssen in der Lage sein, über lange Zeiträume rund um die Uhr gleichbleibend elektrische Energie bereitzustellen. - Der Betreiber hat hinsichtlich seiner Aussage somit Recht, da die Biogasanlagen in der Regel über groß ausgelegte Substratspeicher verfügen. - Da die Biomasse in einem Substratspeicher zwischengelagert werden kann und das erzeugte Biogas in einem Pufferspeicher gelagert wird, ist die Biogasanlage in der Lage, eine gleichbleibende Menge an Faulgas an das BHKW abzugeben. - Daher muss der Gärprozess auch dann nicht unterbrochen werden, wenn z.B. im Winter keine Biomasse produziert wird.