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Wie wird Fernwärme erzeugt?

Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) ist eine Technik, mit der die eingesetzte Energie weit effektiver ausgenutzt wird als bei getrennter Strom- und Wärme-Erzeugung.  Eine entsprechend geringere Belastung der Umwelt geht damit einher. Aktuell werden in Deutschland über 80% der Fernwärme in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt. Die Energieeinsparung  gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme liegt zwischen 30 und 50 Prozent. Das ist ökologisch und volkswirtschaftlich höchst sinnvoll.

Bei Kraft-Wärme-Kopplung können konventionelle Brennstoffe wie Braunkohle, Steinkohle, Erdöl und Erdgas eingesetzt werden. Es ist jedoch genauso sinnvoll, erneuerbare Energien in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen hocheffizient einzusetzen. Da Wärme jedoch im Gegensatz zu Strom nicht wirtschaftlich sinnvoll über größere Strecken transportiert werden kann, wird das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung im wesentlichen in Ballungsgebieten angewendet. Dabei können unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen, über die sich der technisch Interessierte im Folgenden informieren kann.

Verschiedene Kraftwerkstypen

Blockheizkraftwerk

Entnahme Kondensationsmaschinen

Gasturbinen mit Abhitzekessel

Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen

Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke sind modular aufgebaute Anlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme. Sie werden in erster Linie am Ort des Wärmeverbrauchs eingesetzt, können aber auch Nutzwärme in Wärmenetze einspeisen. Als Antrieb für die Stromerzeugung können sowohl Verbrennungsmotoren (Diesel-oder Gasmotoren) als auch Gasturbinen verwendet werden. Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotoren nutzen die an der Kurbelwelle verfügbare Leistung statt zur Fortbewegung zum Antrieb eines Generators. Je nach Motortyp (Otto- oder Dieselmotor) sowie Größe der Anlage liegen die Wirkungsgrade zwischen 30 und 50%. Wenn sich die im Kühlwasser und Motorenöl enthaltene Wärme (Abwärme) noch zusätzlich zur Wärmeerzeugung nutzen lässt, werden Gesamtausnutzungsgrade von über 90% möglich. Somit können Blockheizkraftwerke bis zu 40% Primärenergie einsparen. 

Entnahme-Kondensationsmaschinen
Bei einer  Entnahme-Kondensationsmaschine handelt es sich um eine Dampfturbine, bei der zur Erzeugung von Fernwärme oder für industrielle Prozesse eine Entnahme von Dampf bei einer oder auch mehreren, unterschiedlichen Druckstufen erfolgen kann. Kraftwerke, die mit Entnahme-Kondensationsmaschinen arbeiten, sind modifizierte Kondensationskraftwerke. Statt den im Kessel erzeugten Dampf nach Austritt aus der Niederdruckturbine über einen Kühlturm oder Flusswasser zu kondensieren, wird ein Teil der in diesem Dampf noch enthaltenen Energie zur Wärmeerzeugung genutzt. Dadurch wird ein zusätzlicher geringer Brennstoffaufwand erforderlich, der jedoch im Vergleich zur erzielten Energieausnutzung unwesentlich ist. Bei gleichzeitiger Strom- und Wärmeerzeugung in gekoppeltem Betrieb werden in Entnahme-Kondensations-turbinen Ausnutzungsgrade von bis zu 90% erreicht.

Gasturbinen mit Abhitzekessel
Durch den Einsatz eines Abhitzekessels hinter einer Gasturbine lässt sich die eingesetzte Primärenergie wirkungsvoll nutzen. Gleichzeitig wird die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage deutlich gesteigert. Das Prinzip, das hierbei zum Einsatz kommt, entspricht dem eines Flugzeugtriebwerkes: Umgebungsluft wird im Verdichter komprimiert, in der Brennkammer erhitzt und anschließend zur Krafterzeugung genutzt.  Als Brennstoffe dienen extraleichtes Heizöl bzw. Erdgas. Im Gegensatz zum Flugzeug dienen die Abgase in einem Kraftwerk zum Antrieb der Turbine und damit zur Stromerzeugung. Die Abgase treten mit sehr hoher Temperatur aus. Deswegen lässt sich ihr Energiegehalt gleichzeitig zur Wärmeerzeugung nutzen. Bei voller Wärmeverwertung sind Nutzungsgrade von über 80% problemlos realisierbar.

Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen
Um das Prinzip der Gasturbine zu optimieren, werden bei dieser Anlagenform Gas- und Dampfturbinen miteinander kombiniert. Die Abgase strömen über einen Abhitzekessel, mit dem Dampf erzeugt wird. Eine nachgeschaltete Dampfturbine wird damit angetrieben und erzeugt zusätzlich Strom. Der Restenergiegehalt des Dampfes am Turbinenausgang lässt sich über einen Kühlturm kondensieren oder zur Wärmeerzeugung nutzen. Mit dieser Kombination können im Vergleich zum reinen wesentlich höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Bei reiner Stromerzeugung liegen diese weit über 50%. Im gekoppelten Betrieb können dagegen Ausnutzungsgrade von 90% erreicht werden. Kombinierte Kraftwerke sind äußerst flexibel. Sie benötigen nur kurze Startzeiten und sind für schnelle Laständerungen gut geeignet. Wenn erforderlich, können sie auch für Deckung von Lastspitzen herangezogen werden. Bedingt durch ihren guten Wirkungsgrad ist jedoch auch der Einsatz im Dauerbetrieb für die Deckung von Grundlasten wirtschaftlich und technisch sinnvoll.