Auf der Suche nach Wärme

Deine Überraschung im Februar: Dass man mit Holz heizen kann, weiß jeder. Dass man mit Holz auch Strom erzeugen kann, dürfte für den ein oder anderen aber eine Überraschung sein. Wie das funktioniert und welche Anlagen man dazu nutzen kann, erfährst Du hier. Ob Du alle wichtigen Fakten schon kennst, erfährst Du in dem Rätsel.

Bioenergie ist Energie aus Biomasse und gehört zu den erneuerbaren Energieträgern. Bioenergie kann nicht nur in Biogasanlagen, sondern auch in Biomasseheizkraftwerken (BMHKW) erzeugt werden.

Was sind Biomasseheizkraftwerke (BMHKW)?

In solchen BMHKW können sowohl Wärme als auch Strom bereitgestellt werden. Dazu werden feste Brennstoffe (biogener Festbrennstoff) in einer großen Brennkammer verbrannt. In meisten BMHKW werden holzartige Brennstoffe wie Holzhackschnitzel, Holzpellets und Altholz genutzt. Aber auch Stroh, Getreide(reste) oder getrockneter Biomüll können in BMHKW in Bioenergie umgewandelt werden. Holzhackschnitzel ist übrigens klein gehäckseltes Holz von Bäumen, die nicht höherwertig verwendet werden können. Holzpellets bestehen aus zusammengepressten Sägespänen. Somit werden in BMHKW häufig Reststoffe bzw. Nebenprodukte verbrannt. Normalerweise werden keine großen Bäume nur deshalb gefällt, damit sie anschließend verbrannt werden können.

Biomasseheizkraftwerke funktionieren ähnlich wie ein Kohlekraftwerk, nutzen also das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Da hierbei sowohl Strom als auch Wärme erzeugt und genutzt werden, zeichnen sich BMHKW durch hohe Wirkungsgrade bis 90 % aus.

Wie funktionieren BMHKW?

Bei BMHKW existieren verschiede Anlagentypen. Besonders häufig kommen die sogenannten Biomasse-Dampfkraftwerke und ORC-Anlagen vor. Biomasse-Dampfkraftwerke basieren auf dem Dampfkraftprozess. Dabei wird die Biomasse (z.B. Holzhackschnitzel, Holzpellets) in einer großen Brennkammer verbrannt. Die Verbrennung erzeugt so viel Wärme, dass damit Wasser (sog. Speisewasser) verdampft wird. Dieser Wasserdampft treibt eine Dampfturbine an, die wiederum einen Generator in Drehung versetzt. Der Generator erzeugt dadurch elektrischen Strom. Nachdem der heiße Wasserdampft die Dampfturbine angetrieben hat, ist er immer noch sehr warm. Diese Restwärme des Speisewassers wird in einem Wärmetauscher genutzt, um Wasser für die Fernwärme zu erhitzen.

ORC-Anlagen heißen ausgeschrieben „Organic-Rankine-Cycle“-Anlagen. Das ist englisch für „organischer Rankine-Kreislaufprozess“. Dieser Begriff geht auf den schottischen Ingenieur William J.M. Rankine zurück, der die Theorie der Dampfmaschine maßgeblich entwickelt hat. Der Rankine-Zyklus beschreibt ein Funktionsprinzip, bei dem die Dampfmaschine nicht von Wasser, sondern von einem organischen Arbeitsmedium angetrieben wird, welches einen niedrigen Siedepunkt hat (z.B. Kohlenwasserstoffe oder Silikonöl). Die in der Brennkammer erzeugte Wärme muss also nicht so hoch sein – der ORC-Prozess funktioniert trotzdem. ORC-Anlagen erzielen deshalb selbst bei niedrigeren Temperaturen der Abwärmequelle einen höheren Wirkungsgrad als reine Biomasse-Dampfkraftwerke. Im Rankine-Zyklus ändert das organische Arbeitsmedium dann immer wieder seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig und wieder zurück. Der genauer Aufbau von ORC-Anlagen kann sehr unterschiedlich sein und hängt vor allem auch von dem verwendeten Arbeitsmedium ab.

Die heißen Gase in der Brennkammer erhitzen in ORC-Anlagen also kein Wasser, sondern ein Thermoöl. Dieses befindet sich in einem geschlossenen Kreislauf. In der Abbildung ist das als „Abwärmeträger“ bezeichnet. Das Thermoöl wiederum erhitzt ein organisches Arbeitsmedium, welches bereits bei niedrigem Druck verdampft. Dieser Umweg ist sinnvoll, weil die Hitze in der Brennkammer manchmal so groß ist, dass sie das organische Arbeitsmedium zerstören könnte. Das zwischengeschaltete Thermoöl gewährleistet, dass die Temperaturen im organischen Arbeitsmedium nicht zu hoch werden, sondern gerade so ausreichen, dass dieses verdampft. Das gasförmige, organische Arbeitsmedium wird nun wieder durch die Dampfturbine geleitet und treibt den damit gekoppelten Generator an – Strom wird erzeugt. Danach kühlt es etwas ab und verflüssigt sich im Kondensator wieder (Kondensation). Die dabei freiwerdende Wärme kann zur Wassererwärmung (z.B. für Nutzung als Fernwärme) genutzt werden. Eine (Speise-)Pumpe verdichtet das kondensierte, organische Arbeitsmedium schließlich wieder auf Betriebsdruck und führt es zurück zum Dampferzeuger. Der ORC-Kreislauf ist nun geschlossen.

Für die Erzeugung der Fernwärme werden in manchen ORC-Anlagen zusätzlich die heißen Rauchgase genutzt, bevor sie eine Rauchgasreinigungsanlage und den Schornstein passieren. Sie sind nach der Wärmeabgabe an das Thermoöl immer noch über 250 ° Celsius heiß und können in einem Wärmetauscher Wasser erwärmen.

Spätestens jetzt bist Du fit für das Rätsel!

Das Rätsel „Bioenergie aus Biomasseheizkraftwerken (BHKW) – Strom und Wärme“ wurde auf learningapps.org erstellt (Datenschutzerklärung von Learningapps). Du kannst das Rätsel auch direkt auf Learningapps spielen, wenn Du diesem Link folgst: https://learningapps.org/watch?v=p04o14u6t23

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Falls Du das Rätsel lieber ausdrucken willst, damit Du es mitnehmen und an Deinem Lieblingsplatz lösen kannst, gibt es hier noch ein PDF zum Herunterladen.