Kraft-Wärme-Kopplung aus Abfall

Kraft-Wärme-Kopplung

Die Erzeugung elektrischer Energie kann durch eine Vielzahl von Prozessen erfolgen.

In den meisten dieser Prozesse findet man einen Dynamo oder Generator, der von einem thermischen Motor oder einer Turbine angetrieben wird.

In allen verschiedenen Arten von Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie ist es notwendig, Folgendes zu haben:

• Abwasserbehandlungsanlage (PTA): zur Reinigung von Verunreinigungen im Wasser, das zur Dampferzeugung verwendet wird.
• Effluentbehandlungsanlage (PTE): zur Behandlung der nach dem Prozess der Stromerzeugung anfallenden Abwässer.

Bei der Erzeugung elektrischer Energie wird nicht die gesamte Wärme des Dampfes genutzt. Diese „überschüssige“ thermische Energie kann in die Atmosphäre abgegeben werden, was einen Verlust ihres Potenzials bedeutet, oder sie kann wiederverwendet werden.

Hier kommen verschiedene Techniken der Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz.

Kraft-Wärme-Kopplung besteht in der gleichzeitigen Erzeugung und Nutzung von zwei oder mehr verschiedenen Energiearten; normalerweise elektrische Energie und thermische Energie (Wärme).

Im Gegensatz zum konventionellen Prozess der Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken, bei dem eine große Menge Wärme erzeugt wird, die nicht genutzt und in die Umwelt abgegeben wird, befindet sich bei Kraft-Wärme-Kopplungssystemen die Energieerzeugungsanlage implizit in der Nähe des Verbrauchsortes.

Die Möglichkeit, einen Abfall als Rohstoff für einen Energieerzeugungsprozess zu verwenden, ist sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sehr attraktiv. Wirtschaftlich, weil ein Abfall (der mit Verwaltungskosten verbunden ist) in Energie (die wirtschaftlichen Ertrag bedeutet) umgewandelt wird. Und ökologisch, weil es eine Möglichkeit ist, die Menge des erzeugten Abfalls zu reduzieren.

Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien können Wirkungsgrade von 85 % erreichen, wenn der zur Stromerzeugung verwendete Dampf und die wiederverwendete Restwärme kombiniert werden, was hohe Energieeinsparungen fördert, ohne den Produktionsprozess zu verändern.

Die verschiedenen in der PTA und PTE eingesetzten Technologien haben erhebliche thermische Anforderungen, die durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gedeckt werden können.

Der Schlüssel liegt darin, die Abgase und thermische Energie aus den Kühlkreisläufen der Motoren zu nutzen, um die notwendige Wärmeenergie für verschiedene Geräte wie Vakuumverdampfer, Kristallisatoren oder Umkehrosmoseanlagen bereitzustellen.

Auf diese Weise wird die Effizienz durch Wärmetauscher verbessert, die die Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Verdampfer erwärmen, wobei die latente Kondensationswärme der Dämpfe genutzt wird.

Anlagen zur Aufnahme von Kraft-Wärme-Kopplung

Die idealen Anlagen für die Aufnahme eines Kraft-Wärme-Kopplungsprozesses müssen einerseits einen Abfall produzieren, der brennbar ist oder in einen Brennstoff umgewandelt werden kann. Andererseits müssen sie einen Bedarf an thermischer und elektrischer Energie haben. Diese Anforderungen werden leicht erfüllt in:

1. Kläranlagen durch biologische Prozesse (städtisch und industriell): Der erzeugte Schlamm wird durch einen anaeroben Vergärungsprozess in Biogas (Kohlendioxid und Methan) und stabilisierten Schlamm umgewandelt, der als landwirtschaftlicher Dünger verwendet werden kann. Das Biogas hat je nach Methangehalt einen höheren oder niedrigeren Heizwert, der in einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess genutzt werden kann. In Kläranlagen kann die im Kraft-Wärme-Kopplungsprozess erzeugte thermische Energie verwendet werden, um eine konstante Temperatur im anaeroben Fermenter (bei 36 ºC) aufrechtzuerhalten und den vergorenen Schlamm vor dem Entwässerungsprozess vorzuwärmen, wodurch die Effizienz dieser Operation erhöht wird.
2. Landwirtschaftliche und/oder Viehzuchtbetriebe (mit Produktion von biologisch abbaubaren Abfällen, die einer anaeroben Vergärung unterzogen werden): Reduzierung der Abfallmenge und Erzeugung einer beträchtlichen Menge Biogas. In diesen Betrieben kann die bei der Kraft-Wärme-Kopplung freigesetzte Wärme genutzt werden, um eine angenehme Temperatur in den Gebäuden, in denen sich die Tiere befinden, aufrechtzuerhalten, die Temperatur in Gewächshäusern zu steuern und die Trockenheit des Endfeststoffabfalls durch Vorwärmen vor der Entwässerung zu verringern.
3. Deponien für kommunale feste Abfälle (RSU): Die Bedingungen, unter denen sich der Abfall befindet, und seine organische Natur führen zu einem natürlichen Biomethanisierungsprozess, bei dem Biogas erzeugt wird. In RSU-Deponien kann die überschüssige thermische Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung im Behandlungsprozess der anfallenden Sickerwässer sehr nützlich sein, insbesondere um die Feuchtigkeit des Endabfalls zu reduzieren, bis hin zur Trocknung, durch einen Konzentrations-Verdampfungsprozess.

Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien

Zur Umwandlung von Biogas in elektrische und thermische Energie gibt es zwei alternative Technologien:

• Verbrennungsmotoren
• Mikroturbinen

Unter Berücksichtigung der Hauptmerkmale beider Technologien können wir einen allgemeinen Vergleich bieten:

• Minimale Methankonzentration (CH4): Verbrennungsmotoren sind nur gültig, wenn die Methankonzentration im Biogas über 40 % liegt. Mikroturbinen können mit einem Methangehalt von 30 % (35 % beim Start) betrieben werden.
• Elektrischer und thermischer Wirkungsgrad: Verbrennungsmotoren haben einen elektrischen Wirkungsgrad von 35-40 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 35-40 %, während Mikroturbinen einen elektrischen Wirkungsgrad von 25-30 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 55-60 % aufweisen. Betrachtet man den Gesamtwirkungsgrad (Summe aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad), zeigen Mikroturbinen bessere Ergebnisse als Verbrennungsmotoren.
• Wartung und Lager: Mikroturbinen haben nur ein bewegliches Teil und werden mit Luft geschmiert, während Verbrennungsmotoren mechanisch viel komplexer sind und Öl zur Schmierung benötigen. Das bedeutet, dass der Wartungsaufwand für Mikroturbinen sehr gering ist, während Motoren ständige Aufmerksamkeit erfordern.
• Emissionen: Verbrennungsmotoren erzeugen größere Mengen sowohl an Kohlenmonoxid als auch an Stickoxiden.

Im Fall von Motoren wird die überschüssige Wärme aus zwei verschiedenen Quellen gewonnen: dem Kühlkreislauf und den Abgasen, während bei Mikroturbinen die thermische Energie aus einem einzigen Strom gewonnen wird, wobei die hohe Temperatur der Abgase genutzt wird.

Sowohl bei Verbrennungsmotoren als auch bei Mikroturbinen muss das Biogas vor dem Kontakt mit diesen Geräten gereinigt werden. In beiden Fällen müssen Siloxane aus dem Biogas entfernt werden, die in einem Aktivkohlefilter adsorbiert werden. Im Fall von Verbrennungsmotoren muss außerdem Schwefelwasserstoff (H2S), eine sehr korrosive Säure, aus dem Biogas entfernt werden.

Fazit

Durch einen Kraft-Wärme-Kopplungsprozess kann die Menge des erzeugten Abfalls reduziert werden, während elektrische Energie erzeugt wird, die selbst verbraucht oder über das allgemeine Netz verkauft werden kann, sowie thermische Energie, die sowohl im Prozess selbst als auch zur Reduzierung der Feuchtigkeit des Endabfalls durch Verdampfungs-Konzentrationstechniken genutzt werden kann.

Sowohl zur Abfallreduzierung als auch zur Energieerzeugung ist der Kraft-Wärme-Kopplungsprozess wirtschaftlich vollständig rentabel, und die Amortisationszeit für die Investition ist in der Regel relativ kurz.