Abwärmenutzung bei der Deponiegasverwertung in Gasmotoren
Machbarkeitsstudie am Beispiel der Deponie Schöneicher Plan der Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)
©2001
Diplomarbeit
106 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
In dieser Diplomarbeit werden die Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei der Deponiegasverwertung in Gasmotoren untersucht. Aufgrund der zumeist siedlungsfernen Lage von Deponien, besteht in unmittelbarer Nähe nur in Ausnahmefällen ausreichender Wärmebedarf. Die entstehende Abwärme wird daher im Regelfall ungenutzt an die Umgebung abgegeben.
Um diese Wärmeenergie trotzdem nutzbar zu machen, muss sie gespeichert oder so gewandelt werden, dass ein Transport über größere Distanzen leicht möglich ist. Der rohrleitungsgebundene Wärmetransport stößt mit steigender Entfernung rasch an ökonomische Grenzen. Bei der Deponiegasverwertung mit typischen thermischen Spitzenleistungen im einstelligen Megawattbereich sind mit klassischen Fernwärmeleitungen mehr als fünf bis zehn Kilometer Transportentfernung kaum zu realisieren. Es werden daher alternative Konzepte der Wärmespeicherung, Wandlung der Abwärme in Kälte und Kältespeicherung sowie Wandlung der Abwärme in elektrische Energie untersucht.
Am Beispiel der geplanten Deponiegasverwertungsanlage Schöneicher Plan werden geeignete Systeme ermittelt und der jeweilige Stand der Technik bestimmt. Die Wirtschaftlichkeit der am Markt verfügbaren Systeme wird untersucht und auf Grundlage der gewonnenen Daten wird eine Verfahrensempfehlung für das Projekt Deponiegasverwertungsanlage Schöneicher Plan abgeleitet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung1
1.1Deponiestandort Schöneicher Plan1
1.2Geplante Gasfassung und -verwertung2
1.3Anforderungen an ein Abwärmenutzungskonzept für die Gasverwertungsanlage Schöneicher Plan4
1.4Optionen der Abwärmenutzung6
1.4.1Nutzung der Abwärme als Wärme6
1.4.2Nutzung der Abwärme als Kälte6
1.4.3Nutzung der Abwärme durch Wandlung in elektrische Energie6
1.5Erstbewertung und Vorauswahl der Abwärmenutzungskonzepte13
2.Nutzung der Abwärme als Wärme16
2.1Thermische Speicher19
2.1.1Sensible Speicher19
2.1.2Latente Speicher22
2.2Thermochemische Speicher24
2.2.1Adsorption26
2.2.2Absorption26
2.2.3Metallhydridspeicher28
2.2.4Red-Ox-Reaktionen31
2.3Mobile Wärmespeicher - Stand der Technik31
2.3.1Sensible Speicher31
2.3.2Latente Speicher32
2.3.3Adsorptionsspeicher35
2.3.4Absorptionsspeicher37
2.3.5Metallhydridspeicher37
2.4Zusammenfassung Wärmespeicher37
3.Nutzung der Abwärme als […]
In dieser Diplomarbeit werden die Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei der Deponiegasverwertung in Gasmotoren untersucht. Aufgrund der zumeist siedlungsfernen Lage von Deponien, besteht in unmittelbarer Nähe nur in Ausnahmefällen ausreichender Wärmebedarf. Die entstehende Abwärme wird daher im Regelfall ungenutzt an die Umgebung abgegeben.
Um diese Wärmeenergie trotzdem nutzbar zu machen, muss sie gespeichert oder so gewandelt werden, dass ein Transport über größere Distanzen leicht möglich ist. Der rohrleitungsgebundene Wärmetransport stößt mit steigender Entfernung rasch an ökonomische Grenzen. Bei der Deponiegasverwertung mit typischen thermischen Spitzenleistungen im einstelligen Megawattbereich sind mit klassischen Fernwärmeleitungen mehr als fünf bis zehn Kilometer Transportentfernung kaum zu realisieren. Es werden daher alternative Konzepte der Wärmespeicherung, Wandlung der Abwärme in Kälte und Kältespeicherung sowie Wandlung der Abwärme in elektrische Energie untersucht.
Am Beispiel der geplanten Deponiegasverwertungsanlage Schöneicher Plan werden geeignete Systeme ermittelt und der jeweilige Stand der Technik bestimmt. Die Wirtschaftlichkeit der am Markt verfügbaren Systeme wird untersucht und auf Grundlage der gewonnenen Daten wird eine Verfahrensempfehlung für das Projekt Deponiegasverwertungsanlage Schöneicher Plan abgeleitet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung1
1.1Deponiestandort Schöneicher Plan1
1.2Geplante Gasfassung und -verwertung2
1.3Anforderungen an ein Abwärmenutzungskonzept für die Gasverwertungsanlage Schöneicher Plan4
1.4Optionen der Abwärmenutzung6
1.4.1Nutzung der Abwärme als Wärme6
1.4.2Nutzung der Abwärme als Kälte6
1.4.3Nutzung der Abwärme durch Wandlung in elektrische Energie6
1.5Erstbewertung und Vorauswahl der Abwärmenutzungskonzepte13
2.Nutzung der Abwärme als Wärme16
2.1Thermische Speicher19
2.1.1Sensible Speicher19
2.1.2Latente Speicher22
2.2Thermochemische Speicher24
2.2.1Adsorption26
2.2.2Absorption26
2.2.3Metallhydridspeicher28
2.2.4Red-Ox-Reaktionen31
2.3Mobile Wärmespeicher - Stand der Technik31
2.3.1Sensible Speicher31
2.3.2Latente Speicher32
2.3.3Adsorptionsspeicher35
2.3.4Absorptionsspeicher37
2.3.5Metallhydridspeicher37
2.4Zusammenfassung Wärmespeicher37
3.Nutzung der Abwärme als […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 5053
Melzian, Rocco: Abwärmenutzung bei der Deponierungsverwertung in Gasmotoren:
Machbarkeitsstudie am Beispiel der Deponie "Schöneicher Plan" / Rocco Melzian - Hamburg:
Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Berlin, Technische Universität, Diplom, 2001
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Inhaltsverzeichnis
1. M¨
oglichkeiten und Grenzen der Abw¨armenutzung
1
1.1. Deponiestandort Sch¨oneicher Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2. Geplante Gasfassung und -verwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3. Anforderungen an ein Abw¨armenutzungskonzept f¨ur die Gasverwertungsan-
lage Sch¨oneicher Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.4. Optionen der Abw¨armenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.4.1. Nutzung der Abw¨arme als W¨arme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.4.2. Nutzung der Abw¨arme als K¨alte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.4.3. Nutzung der Abw¨arme durch Wandlung in elektrische Energie . . .
6
1.5. Erstbewertung und Vorauswahl der Abw¨armenutzungskonzepte . . . . . .
13
2. Nutzung der Abw¨arme als W¨arme
16
2.1. Thermische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.1.1. Sensible Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.1.2. Latente Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2.2. Thermochemische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
2.2.1. Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.2.2. Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.2.3. Metallhydridspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.4. Red-Ox-Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.3. Mobile W¨armespeicher - Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.3.1. Sensible Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.3.2. Latente Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.3.3. Adsorptionsspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.3.4. Absorptionsspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.3.5. Metallhydridspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.4. Zusammenfassung W¨armespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
3. Nutzung der Abw¨arme als K¨alte
39
3.1. K¨altemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
3.1.1. Absorptionsk¨altemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
3.1.2. Adsorptionsk¨altemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.1.3. Dampfstrahlk¨altemaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.2. Thermische K¨altespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
3.2.1. Sensible Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
3.2.2. Latente Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
i
3.3. Thermochemische K¨altespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.4. Mobile K¨altespeicher - Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.5. Zusammenfassung K¨altespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4. Wandlung der Abw¨arme in elektrische Energie
49
4.1. Dampfturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.2. Dampfkolbenmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.3. Zusammenfassung elektrische Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5. Entwicklung von Abw¨armenutzungskonzepten f¨
ur den Standort Sch¨
oneicher
Plan
57
5.1. TransHeat-System der Eureca AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.2. Kronauer Sorptionstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
5.3. Spillingwerk Dampfkolbenmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
6. Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung
67
6.1. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
6.2. TransHeat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
6.3. Kronauer Sorptionstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
6.4. Spillingwerk Dampfkolbenmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
6.5. Vergleich der Abw¨armenutzungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.6. Zusammenfassung Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
7. Handlungsempfehlung und Diskussion alternativer Deponiegasverwertungskon-
zepte
75
7.1. Alternative Deponiegasverwertungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
7.2. Empfehlung f¨ur die weitere Projektentwicklung . . . . . . . . . . . . . . .
78
8. Zusammenfassung
80
9. Quellenverzeichnis
83
A. Wirtschaftlichkeit TransHeat
90
B. Wirtschaftlichkeit Kronauer Sorptionstechnik
92
C. Wirtschaftlichkeit Spilling Dampfkolbenmotor
94
ii
Abbildungsverzeichnis
1.1.
Luftbild der Deponie Sch¨oneicher Plan
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2.
Parameter der geplanten Deponiegasverwertungsanlage Sch¨oneicher Plan
. . . .
3
1.3.
¨
Ubersicht der Abw¨armenutzungskonzepte
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.4.
Phasen¨ubergang H
2
O
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.5.
Prinzipielle Einteilung von W¨arme- und K¨altespeichern
. . . . . . . . . . . . .
7
1.6.
¨
Ubersicht der Verfahren zur Wandlung in elektrische Energie
. . . . . . . . . .
7
1.7.
ClausiusRankine Prozess
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.8.
Einfacher Dampfturbinenprozess
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.9.
Aufbau der Dampfschrauben
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.10.
Aufbau eines Stirlingmotors
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.11.
Prinzip des Carnot Kreisprozesses
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.12.
Photovoltaische Zelle
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.13.
Aufbau eines TEG
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.14.
Funktionsprinzip eines MHD-Generators
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.1.
Anforderungen an ideale W¨armespeicherstoffe
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.2.
Einteilung der W¨armespeicher nach dem physikalisch/chemischen Prinzip
. . . .
18
2.3.
Phasen¨uberg¨ange
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2.4.
Struktur der Zeolittypen A und X
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.6.
W¨armespeicherung in Metallhydridsystemen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.5.
Wasserstoffabsorption in Metallen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.7.
Natriumacetatspeicher TransHeat
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.8.
Natriumacetatspeicher der Solarkon GmbH
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.9.
Kronauer Sorptionspeicher
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.1.
Prinzip einer w¨armegetriebenen K¨altemaschine
. . . . . . . . . . . . . . . . .
39
3.2.
Prinzip einer Absorptionsk¨altemaschine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
3.3.
Prinzip einer DEC-Adsorptionsk¨altemaschine
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.4.
Prinzip einer Dampfstrahlk¨altemaschine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
3.5.
H+P Technologie - Mobile K¨alteerzeugung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
3.6.
Prinzip der mobilen K¨alteerzeugung und Ansicht einer K¨uhlbox, EG Solar e.V.
.
47
4.1.
H-s Diagramm eines einfachen, idealen Dampfprozesses f¨ur Sch¨oneicher Plan
. .
51
4.2.
Schaltung des Dampfkraftprozesses am Weesbach-Institut
. . . . . . . . . . . .
53
4.3.
Wirkungsgradverlauf verschiedener Dampfkraftkonzepte
. . . . . . . . . . . . .
53
4.4.
Ansicht eines Spilling Dampfkolbenaggregates
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
iii
5.1.
Abw¨armenutzungskonzept TransHeat
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
5.2.
Abw¨armenutzungskonzept Kronauer Sorptionstechnik
. . . . . . . . . . . . . .
64
5.3.
Abw¨armenutzungskonzept Spilling Dampfkolbenmotor
. . . . . . . . . . . . .
66
iv
Tabellenverzeichnis
1.1.
Abw¨armenutzung durch Wandlung in elektrische Energie
. . . . . . . . . . . .
14
1.2.
Erstbewertung der Abw¨armenutzungskonzepte zur Wandlung in elektrische Energie.
15
2.1.
Prinzipielle Einteilung von W¨armespeichern
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.
Spezifische und volumetrische W¨armekapazit¨at ausgew¨ahlter Materialien bei Norm-
bedingungen.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.3.
Eigenschaften einiger Latentspeichermaterialien bei Normbedingungen
. . . . .
23
2.4.
Reaktionspaare f¨ur thermochemische W¨armespeicherung.
. . . . . . . . . . . .
27
2.5.
¨
Ubersicht ¨uber bekannte MetallhydridMetallSysteme
. . . . . . . . . . . . .
29
2.6.
Gegen¨uberstellung der W¨armespeicherprinzipien
. . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.7.
System TransHeat im ¨
Uberblick
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.8.
System Solarkon im ¨
Uberblick
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.9.
System Kronauer im ¨
Uberblick
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.1.
Gebr¨auchliche Verfahren der K¨alteerzeugung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.1.
Kenngr¨ossen von Dampfkolbenmotoren der Spilling GmbH
. . . . . . . . . . .
55
5.1.
TransHeat - Abw¨armenutzungskonzept f¨ur Sch¨oneicher Plan.
. . . . . . . . . .
58
5.2.
Kronauer Sorptionstechnik - Abw¨armenutzungskonzept f¨ur Sch¨oneicher Plan.
. .
62
5.3.
Spilling Dampfmotor - Abw¨armenutzungskonzept f¨ur Sch¨oneicher Plan.
. . . . .
66
6.1.
¨
Ubersicht der Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - TransHeat.
. . . . . . . . . . .
69
6.2.
¨
Ubersicht der Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - Kronauer.
. . . . . . . . . . . .
71
6.3.
¨
Ubersicht der Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - Spilling.
. . . . . . . . . . . . .
72
6.4.
¨
Ubersicht zur Wirtschaftlichkeit potentieller Abw¨armenutzungsverfahren
. . . .
74
A.1.
Eingabewerte Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - TransHeat.
. . . . . . . . . . .
90
A.2.
Wirtschaftlichkeitsanalyse TransHeat
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
B.1.
Eingabewerte Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - Kronauer.
. . . . . . . . . . . .
92
B.2.
Wirtschaftlichkeitsanalyse Kronauer Sorptionstechnik
. . . . . . . . . . . . . .
93
C.1.
Eingabewerte Wirtschaftlichkeitsabsch¨atzung - Spilling.
. . . . . . . . . . . . .
94
C.2.
Wirtschaftlichkeitsanalyse Spillingwerk Dampfkolbenmotor
. . . . . . . . . . .
95
v
Abk¨
urzungsverzeichnis
AbKM
Absorptionsk¨altemaschine
AdKM
Adsorptionsk¨altemaschine
AGFW
Arbeitsgemeinschaft Fernw¨arme
BHKW
Block-Heiz-Kraft-Werk
BSR
Berliner Stadtreinigungsbetriebe
COP
Coefficient of Performance
DEC
Desiccative and Evaporative Cooling
DCS
Desiccant Cooling System
EEG
Erneuerbare-Energien-Gesetz
GuD
Gas-und-Dampf
MHD
Magnetohydrodynamic Generator
ORC
Organic Rankine Cycle
PCM
Phase Change Material
TEG
Thermo-Electric Generator
TPV
Thermo-Photo-Voltaic Device
WZ
Wertstoffzentrum
vi
1. M¨
oglichkeiten und Grenzen der Abw¨armenutzung
Abw¨arme f¨allt bei vielen industriellen und gewerblichen Prozessen als Nebenprodukt an.
Auch bei der Verwertung von Deponiegas in Gasmotoren zur Stromerzeugung wird et-
wa das 1,3-fache der elektrischen Leistung als W¨armeleistung abgegeben. H¨aufig kann
die W¨armeenergie vor Ort nicht sinnvoll genutzt werden und wird deshalb ¨uber K¨uhl-
einrichtungen an die Umgebung abgef¨uhrt. Dem gegen¨uber steht die Tatsache, dass vierzig
Prozent des Prim¨arenergieverbrauchs Deutschlands auf Raumheizung und Klimatisierung
zur¨uckgehen [46]. Diese Prim¨arenergie k¨onnte teilweise durch Abw¨arme aus industriellen
und gewerblichen Prozessen substituiert werden. Dies w¨are, gerade im Hinblick auf das Ziel
des Kyoto-Protokolls, den weltweiten CO
2
Ausstoß zu reduzieren, ein ¨okologisch sinnvoller
Ansatz.
In dieser Diplomarbeit werden die M¨oglichkeiten der Abw¨armenutzung bei der Deponie-
gasverwertung in Gasmotoren untersucht. Aufgrund der zumeist siedlungsfernen Lage von
Deponien, besteht in unmittelbarer N¨ahe nur in Ausnahmef¨allen ausreichender W¨armebe-
darf. Die entstehende Abw¨arme wird daher im Regelfall ungenutzt an die Umgebung abge-
geben. Um diese W¨armeenergie trotzdem nutzbar zu machen, muss sie gespeichert oder so
gewandelt werden, dass ein Transport ¨uber gr¨oßere Distanzen leicht m¨oglich ist. Der rohr-
leitungsgebundene W¨armetransport st¨oßt mit steigender Entfernung rasch an ¨okonomische
Grenzen. Bei der Deponiegasverwertung mit typischen thermischen Spitzenleistungen im
einstelligen Megawattbereich sind mit klassischen Fernw¨armeleitungen mehr als f¨unf bis
zehn Kilometer Transportentfernung kaum zu realisieren.
Es werden daher alternative Konzepte der W¨armespeicherung, Wandlung der Abw¨arme
in K¨alte und K¨altespeicherung sowie Wandlung der Abw¨arme in elektrische Energie unter-
sucht. Am Beispiel der geplanten Deponiegasverwertungsanlage Sch¨oneicher Plan werden
geeignete Systeme ermittelt und der jeweilige Stand der Technik bestimmt. Die Wirt-
schaftlichkeit der am Markt verf¨ugbaren Systeme wird untersucht und auf Grundlage der
gewonnenen Daten wird eine Verfahrensempfehlung f¨ur das Projekt Deponiegasverwer-
tungsanlage Sch¨oneicher Plan abgeleitet.
1.1.
Deponiestandort Sch¨
oneicher Plan
Die Deponie Sch¨oneicher Plan liegt etwa 50 km s¨udlich von Berlin im Landkreis Teltow-
Fl¨aming, Land Brandenburg. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurden im Deponiegebiet
ehemalige Tongruben mit Abf¨allen verf¨ullt. Der geregelte Deponiebetrieb begann 1956.
Sch¨oneicher Plan diente von da an - neben den Deponien Schwanebeck und Wernsdorf -
als Zentraldeponie f¨ur Berlin-Ost. Seit der Fusion mit der Stadtreinigung Berlin im Jah-
1
Abb. 1.1.: Luftbild der Deponie Sch¨oneicher Plan
Quelle: Berliner Stadtreinigungsbetriebe, Referat Deponiesanierung
re 1992, wird der Standort von den Berliner Stadtreinigungsbetrieben (BSR) als Sied-
lungsabfalldeponie betrieben. Bis heute wurden etwa 34 Mio.m
3
Abf¨alle eingebaut. Der
Deponiek¨orper bedeckt 90 von insgesamt 120 Hektar genehmigter Grundfl¨ache. Ausbau-
potential von 30 Hektar ist vorhanden. Die Deponie, eine Kombination aus Gruben und
Haldendeponie, ¨uberragt das gewachsene Gel¨ande um siebzehn bis dreiundzwanzig Meter.
Die Deponiesohle liegt im Mittel bei neun, teilweise aber auch bis zu zwanzig Metern un-
ter der Gel¨andeoberkante [5]. Das Sickerwasser wird nicht erfasst und behandelt, da der
Deponiek¨orper keine Basisabdichtung hat. F¨ur das Jahr 2003 ist die Inbetriebnahme einer
Deponiegasfassungs- und Verwertungsanlage geplant.
Die Berliner Abf¨alle werden in Presscontainern von der Verladestation Berlin-Grade-
straße auf die Deponie transportiert. Dabei kommt ein kombiniertes System aus Bahn
und LKW zum Einsatz. Zus¨atzlich besteht die M¨oglichkeit, den Abfall ¨uber die Strasse
anzuliefern. An eine Wasserstrasse ist die Deponie nicht angebunden. Der in der N¨ahe
verlaufende Nottekanal ist nicht schiffbar. Ausf¨uhrlich wird die Deponie und ihre Historie
von Auhagen und Finck [5] beschrieben.
1.2.
Geplante Gasfassung und -verwertung
In Siedlungsabfalldeponien bildet sich durch biologische, physikalische und chemische Pro-
zesse Deponiegas. Die Hauptbestandteile sind Methan (etwa 50%), Kohlendioxid (etwa
2
3 Gasmotoren mit
Generatoren
A
b
g
a
s
4
5
0
°C
-1
3
5
°C
1
,8
M
W
th
K
ü
h
lw
a
s
s
e
r
9
5
°C
-
8
1
°C
2
,6
M
W
th
Deponiegas
2500 m
3
/h
Elektrizität
3,7 MW
el
Abb. 1.2.: Parameter der geplanten Deponiegasverwertungsanlage Sch¨oneicher Plan
35%), Stickstoff (etwa 10%), Sauerstoff und diverse Spurenstoffe. Deponiegas ist brennbar,
im Gemisch mit Luft auch explosiv. Die enthaltenen Spurenstoffe k¨onnen teilweise schon
in geringen Konzentrationen f¨ur Menschen, Tiere und Pflanzen toxisch wirken. Das Global
Warming Potential (GWP, bezogen auf 100 Jahre) von Methan ist etwa 21 mal gr¨oßer
als das von Kohlendioxid. Aufgrund des vom Deponiegas ausgehenden Gef¨ahrdungspo-
tentials und der Umweltbeeintr¨achtigungen darf es nicht unbehandelt in die Atmosph¨are
entweichen. Die Deponiebetreiber sind nach Abfallablagerungsverordnung in Verbindung
mit der TA Siedlungsabfall verpflichtet, das Deponiegas zu fassen, schadlos zu entsorgen
oder, wenn m¨oglich, zu verwerten. Stand der Technik ist die aktive Gasfassung mit verti-
kalen Gasbrunnen und anschließender Verstromung in Gasmotoren. Die Stromerzeugung
wird durch die im Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) festgelegte Einspeiseverg¨utung
gef¨ordert. Als Grundlage f¨ur die Planung des Gasfassungs- und Gasverwertungssystems
auf der Deponie Sch¨oneicher Plan wurden im Jahr 2000 Absaugversuche durchgef¨uhrt und
eine Gasprognose erstellt. Danach ist ein maximaler Gasvolumenstrom von etwa 2500 m
3
/h
bei einem Methangehalt von ann¨ahernd 50% zu erwarten.
Es ist geplant, das Deponiegas auf dem Deponiegel¨ande mit konventionellen Gasmoto-
ren und Generatoren zu verstromen und den Strom ins ¨offentliche Netz einzuspeisen . F¨ur
die dabei anfallende Abw¨arme liegt bis dato kein Nutzungskonzept vor. Die geplanten 3 Mo-
toren werden nach vorl¨aufigen Sch¨atzungen eine elektrische Spitzenleistung von insgesamt
3,7 MW
el
und eine thermische Spitzenleistung von insgesamt 4,4 MW
th
haben. Abgasseitig
wird ein Temperaturniveau von etwa 450
C erreicht werden, aus dem bei Abk¨uhlung auf
3
minimal 135
C etwa 1,8 MW
th
ausgekoppelt werden k¨onnen. Im K¨uhlwasserkreislauf der
Motoren fallen etwa 2,6 MW
th
bei 95
C an. Das K¨uhlwasser wird dabei auf etwa 81
C
abgek¨uhlt [28]. In erster N¨aherung stecken somit 40% der Abw¨arme im Abgas. In Abbil-
dung 1.2 sind wichtige energetische Parameter der geplanten Deponiegasverwertungsanlage
dargestellt.
1.3.
Anforderungen an ein Abw¨armenutzungskonzept f¨
ur die
Gasverwertungsanlage Sch¨
oneicher Plan
Im n¨aheren Umkreis der Deponie befinden sich derzeit keine Industrie- oder Gewerbegebiete
mit Prozess- oder Heizw¨armebedarf.
Neueste Planungen zur Berliner Abfallentsorgung nach 2005 sehen vor, dass am Stand-
ort Sch¨oneiche/Sch¨oneicher Plan ein zentrales Wertstoffzentrum (WZ) errichtet werden
soll. Um den hochkalorischen Teil des Berliner Abfalls energetisch oder stofflich nutzen
zu k¨onnen, soll er im WZ aufbereitet werden. Aus dem niederkalorischen Teil soll im WZ
durch Verg¨arung Biogas gewonnen werden, welches die notwendige Energie f¨ur die Trock-
nung und Pelletierung der hochkalorischen Fraktion liefern soll. Im Falle einer Umsetzung
dieser Planungen entstehen nach 2005 massive Einfl¨usse auf die Energienutzung der De-
poniegasverwertungsanlage, die im Rahmen dieser Diplomarbeit unber¨ucksichtigt bleiben
m¨ussen.
Die umliegenden Gemeinden sind nicht an ein Fernw¨armenetz angebunden. Investitions-
vorhaben im n¨aheren Umkreis, die W¨arme- oder K¨altebedarf in entsprechenden Gr¨oßenord-
nungen erzeugen, sind nicht bekannt. Aufgrund dieser Randbedingungen ist konventionel-
le, rohrleitungsgebundene Abw¨armenutzung am Standort Sch¨oneicher Plan nicht m¨oglich.
Der Transport von Deponiegas zu Abnehmern außerhalb des Deponiegel¨andes ist zur Zeit
im Land Brandenburg nicht genehmigungsf¨ahig [27]. Deponiegas ist zwingend auf dem
Deponiegel¨ande zu behandeln. Der W¨armeeigenbedarf der Deponie beschr¨ankt sich auf
wenige Betriebsgeb¨aude; K¨altebedarf besteht nicht.
Abbildung 1.3 zeigt die Optionen der Abw¨armenutzung im ¨
Uberblick. Aus den oben
dargestellten Randbedingungen lassen sich am Standort Sch¨oneicher Plan drei prinzipielle
M¨oglichkeiten der Abw¨armenutzung ableiten:
1. Nutzung der Abw¨arme als W¨arme mit mobilen, rohrleitungsunabh¨angigen W¨arme-
transportsystemen.
Das System muss den chargenweisen, straßen- oder schienengebundenen Transport
von W¨armespeichermedien erm¨oglichen. Durch die Straßen- und Schienenanbindung
der Deponie erschließt sich der Großraum Berlin mit einer Vielzahl potentieller Ver-
braucher.
2. Nutzung der Abw¨arme als K¨alte mit mobilen, rohrleitungsunabh¨angigen K¨altetrans-
portsystemen.
4
Nutzung der Abwärme
als
Wärme
nach
Wandlung in
elektrische
Energie
Nutzung vor Ort
Transport
Mobile Nutzung
Zeitversetzt
Direkt
Kombination
Langzeitspeicher
Chargenweise
Leitung
Kurzzeitspeicher
SPEICHER
nach
Wandlung in
Kälte
Abb. 1.3.: ¨
Ubersicht der Abw¨armenutzungskonzepte
Nach der Wandlung von Abw¨arme in K¨alte gelten die gleiche Randbedingungen wie
f¨ur die Option "Nutzung der Abw¨arme als W¨arme". Alternativ kann K¨alte auch
direkt beim Verbraucher aus W¨arme erzeugt werden.
3. Nutzung der Abw¨arme durch Wandlung in elektrische Energie.
Systeme, die unter Beachtung der gegebenen Temperaturniveaus und der zugeh¨ori-
gen W¨armeleistung eine Wandlung in elektrischen Strom erm¨oglichen. Elektrischer
Strom kann in das ¨offentliche Netz eingespeist oder vor Ort verbraucht werden (Ei-
genbedarf).
5
1.4.
Optionen der Abw¨armenutzung
Im Folgenden werden die Verfahren zur Nutzung der Abw¨arme als W¨arme mit mobilen,
rohrleitungsunabh¨angigen W¨armetransportsystemen, Nutzung der Abw¨arme als K¨alte mit
mobilen, rohrleitungsunabh¨angigen K¨altetransportsystemen und Nutzung der Abw¨arme
durch Wandlung in elektrischen Strom vorgestellt.
1.4.1.
Nutzung der Abw¨arme als W¨arme
Aufgrund der Randbedingungen bestehen f¨ur den Standort Sch¨oneicher Plan nur die Op-
tionen "Chargenweiser Transport" und "Mobile Nutzung" (vgl. Abbildung 1.3, S. 5). Dazu
sind mobile W¨armespeicher mit entsprechenden Speichermaterialien notwendig. W¨arme-
1 mol H
2
O
p=1bar
Abb. 1.4.: Phasen¨ubergang H
2
O
Quelle: Uni Heidelberg, Home Page FB
Physik, [71].
speicher lassen sich in sensible, latente und thermoche-
mische Speicher einteilen. Sensible Energie ist f¨uhlbare
W¨arme, Energie wird als Temperaturerh¨ohung des Spei-
chermaterials gespeichert. Latente W¨armespeicher nut-
zen zus¨atzlich zur sensiblen W¨arme die Energie eines
Phasen¨ubergangs. In Abbildung 1.4 ist der Zusammen-
hang zwischen latenter und sensibler W¨arme dargestellt.
Chemische Speicher basieren auf reversiblen, chemischen
Reaktionen. Keines der drei Konzepte kann prinzipi-
ell ausgeschlossen werden, da jeweils eine Vielzahl von
Speichermaterialien mit unterschiedlichsten Eigenschaf-
ten zur Verf¨ugung steht. In Kapitel 2 werden deshalb
alle drei Speicherprinzipien einer genaueren Analyse un-
terzogen.
1.4.2.
Nutzung der Abw¨arme als K¨alte
Neben der direkten Nutzung als W¨arme besteht die Option, Abw¨arme mittels Absorp-
tions-, Adsorptions- oder Dampfstrahlk¨altemaschinen in K¨alte umzuwandeln. K¨alte kann
mit sensiblen, latenten oder thermochemischen Systemen gespeichert und anschließend
transportiert werden. Es gelten prinzipiell die gleichen Bedingungen wie f¨ur W¨armespei-
cher. Alternativ kann auch W¨armeenergie transportiert werden, die dann erst am Ort des
K¨altebedarfs gewandelt wird. Es kann kein Speicher- oder Wandlungssystem vorab ausge-
schlossen werden. Die verschiedenen Konzepte und ihre M¨oglichkeiten werden deshalb in
Kapitel 3 ausf¨uhrlich beschrieben.
1.4.3.
Nutzung der Abw¨arme durch Wandlung in elektrische Energie
Abw¨arme in elektrische Energie zu wandeln ist die dritte Nutzungsoption. Elektrizit¨at
ist die hochwertigste Energieform. Sie besteht zu 100% aus Exergie und l¨asst sich somit
6
Wärme- und Kältespeicher
sensible Speicher
latente Speicher
thermochemische
Speicher
Abb. 1.5.: Prinzipielle Einteilung von W¨arme- und K¨altespeichern
Dampfkolben-
motor
Dampfturbine
Stirlingmotor
Thermo-
elektrischer
Generator
Thermophoto-
voltaische
Zelle
Magnetohydro-
dynamischer
Generator
Dampfschrau-
benmotor
Wandlung von Abwärme in elektrische Energie
Thermodynamische
Kreisprozesse
Andere Verfahren
Abb. 1.6.: ¨
Ubersicht der Verfahren zur Wandlung in elektrische Energie
vollst¨andig in andere Energieformen ¨uberf¨uhren. Die problemlose Einspeisung ins ¨offentli-
che Netz und die im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) f¨ur Deponiegasverwertungsanla-
gen festgeschriebene leistungsabh¨angige Einspeiseverg¨utung von 13 bis 15 Pf/kWh machen
diese Variante der Abw¨armenutzung sehr attraktiv. Eine ¨
Ubersicht der zur Verf¨ugung ste-
henden Verfahren liefert Abbildung 1.6.
Kleindampfturbinen: Die Dampfturbine arbeitet nach dem thermodynamischen Prin-
zip des Clausius-Rankine Prozesses, dargestellt in Abbildung 1.7.
Vereinfacht stellt sich der Dampfturbinenkreisprozess wie folgt dar. Das Arbeitsmedi-
um, in der Regel Wasser, wird in einem Kessel verdampft (1 bis 3) und auf einen ¨uber-
kritischen Zustand (4) erhitzt. Anschließend wird der Dampf in der Turbine entspannt.
Unter Ausnutzung des Enthalpiegef¨alles zwischen Kesselaustritt (4) und Kondensator (5)
verrichtet der Dampf dabei mechanische Arbeit. Die Turbine treibt einen Generator an, der
7
Abb. 1.7.: ClausiusRankine Prozess
Quelle:
Kauder,
K.:
Stromerzeugung
mit
Schraubenmotoren, Universit¨
at Dortmund, [42].
Generator
Turbine
E-Netz
Abgas Out
Kühlturm
Kondensator
Dampferzeuger/
Abhitzekessel
Speisewasser-
kreislauf
Kühlwasser-
kreislauf
Abgas In
Abb. 1.8.: Einfacher Dampfturbinenpro-
zess
die mechanische Arbeit in elektrischen Strom
wandelt. Das Kondensat wird von der Speisewas-
serpumpe wieder auf Druck gebracht (0) und in
den Kessel gepumpt; dort beginnt der Kreispro-
zess erneut.
Die Frischdampftemperatur und der Frisch-
dampfdruck sollten m¨oglichst hoch, der Ab-
dampfdruck und die Kondensattemperatur da-
gegen m¨oglichst niedrig sein. So sind maxima-
le Wirkungsgrade zu realisieren. Der Frisch-
dampfdruck wird durch die Speisewasserpum-
pe vorgegeben; gew¨ohnlich liegt er zwischen
3 und 130 bar. Die technische Grenze des Druck-
verh¨altnisses einstufiger Turbinen betr¨agt 100,
das heißt, ein Druck von 30 bar kann bis auf
0, 3 bar abgebaut werden. Als minimale Dampf-
temperatur, welche vom Kessel und der Abga-
stemperatur abh¨angt, sollten 250
C nicht we-
sentlich unterschritten werden. Temperaturen
um 500
C sind Stand der Technik. Kleindampf-
turbinen decken einen Leistungsbereich von
0, 01 bis 10 MW ab. Die erreichten Wirkungsgra-
de liegen zwischen 8 und 18%. Die Gr¨unde f¨ur
das Absinken des Wirkungsgrades von Dampf-
turbinenanlagen bei kleinen Leistungen sind die
geringen Durchsatzvolumina sowie der Weg-
fall der Speisewasservorw¨armung und der mehr-
fachen Dampf¨uberhitzung aus wirtschaftlichen
Gr¨unden. Die Dampfturbine verlangt konstante
Frischdampfzust¨ande und Dampfmassenstr¨ome
und wird daher eher bei grossen Anlagenleistun-
gen eingesetzt. Die Technik gilt als ausgereift
mit wenig Entwicklungspotential. Dampfturbi-
nen sind heute bei praktisch allen Herstellern
weitgehend standardisiert und nach dem Bau-
kastenprinzip aufgebaut [2]. Das Blockschaltbild
einer einfachen Anlage ist in Abbildung 1.8 skizziert.
Dampfkolbenmotor: Der Dampfkolbenmotor arbeitet auch nach dem Clausius-Ran-
kine Kreisprozess. Der Anlagenaufbau ¨ahnelt dem in Abbildung 1.8 und unterscheidet sich
nur dadurch, dass der Dampf in einem Kolbenmotor entspannt wird. Die thermodynami-
schen Grundprinzipien unterscheiden sich nicht von denen der Turbine. Der Dampfkolben-
motor ist f¨ur den Einsatz in kleinen und mittleren Dampfkraftanlagen konzipiert. Besonders
im Heißdampfgebiet nutzt der Kolbenmotor hohe Dampfdr¨ucke schon in kleinen Einheiten
8
mit sehr hohem Wirkungsgrad aus [2]. Der elektrische Wirkungsgrad betr¨agt bei einstu-
figer Expansion 6-10% und bei zweistufiger Expansion 12-20%. Der Dampfkolbenmotor
liefert, je nach Zylinderzahl und Auslegung, eine Nennleistung zwischen 5 und 2000 kW
el
.
Der Frischdampfdruck kann zwischen 6 und 60 bar gew¨ahlt werden; Frischdampftempe-
raturen zwischen Sattdampf und 380
C sind m¨oglich. Dampfkolbenmotoren k¨onnen auf
Kondensation ausgelegt werden oder mit Gegendruck bis zu 30 bar betrieben werden. Der
Dampfkolbenmotor gilt technisch als ausgereift. Seine Vorteile liegen in der guten Teil-
lastf¨ahigkeit, dem modularen Aufbau und der Unempfindlichkeit gegen¨uber schwankenden
Frischdampfzust¨anden. Der Bereich gr¨oßerer Leistungen ¨uber 2 MW
el
bleibt der Dampf-
turbine vorbehalten [3].
Abb. 1.9.: Aufbau der Dampfschrauben
Quelle:
Kauder,
K.:
Stromerzeugung
mit
Schraubenmotoren, Universit¨
at Dortmund, [42].
Abb. 1.10.: Aufbau eines Stirlingmotors
Quelle: Raschke, Klaus.: Vorlesungsunterlagen
zur VL Energiesysteme. Fachbereich 14, Techni-
sche Universit¨
at Berlin, (2000).
Dampfschraubenmotor: Der Dampfschrau-
benmotor ist ebenfalls eine Clausius-Rankine
Maschine und geh¨ort in die Gruppe der mehr-
welligen Rotationsverdr¨angermaschinen. Er be-
sitzt zwei schr¨agverzahnte, rotierende Wellen,
die von einem Geh¨ause eng umschlossen wer-
den. Er arbeitet nach dem Verdr¨angerprinzip
und ist im Einsatz-, Betriebs- und Kostenbereich
grunds¨atzlich mit dem Dampfkolbenmotor ver-
gleichbar [2].
Der Wirkungsgrad des Schraubenmotors
liegt zwischen 10 und 20%, bei Anlagengr¨oßen
von 20 bis 2500 kW
el
. Vorteile des Schrauben-
motors sind die, im Vergleich zum Kolbenmotor,
noch geringeren Anforderungen an die Dampf-
parameter und die gr¨oßere Parametervariati-
onsbreite. Schraubenkompressoren werden schon
seit langer Zeit großtechnisch zur Komprimie-
rung von Gasen eingesetzt. Bisher sind aber
keine speziellen Schraubenmotoren f¨ur die De-
kompression von Wasserdampf in Serie gebaut
worden. Betriebserfahrungen existieren nur aus
Versuchsanlagen [42]. Der Dampfschraubenmo-
tor befindet sich im Pilotstadium. Der prinzipi-
elle Aufbau der Schrauben ist in Abbildung 1.9
dargestellt.
Stirlingmotor: Stirlingmotoren arbeiten
nach dem Carnot Kreisprozess. Dem verdichte-
ten Arbeitsgas wird ¨uber den W¨armetauscher
W¨arme zugef¨uhrt; das Arbeitsgas expandiert da-
bei isotherm. Es verrichtet am Expansionskolben
mechanische Arbeit. Anschliessend durchstr¨omt
es den Regenerator und wird dabei isochor ab-
9
Abb. 1.11.: Prinzip des Carnot Kreisprozesses
Quelle: Raschke, Klaus.: Vorlesungsunterlagen zur VL Energiesysteme. Fachbereich 14, Technische Universit¨
at
Berlin, (2000).
gek¨uhlt. Auf der kalten Seite des Motors wird das Arbeitsgas vom Kompressionskolben
isotherm verdichtet. Die anfallende W¨arme wird mittels K¨uhler dem System entnommen.
Nun wird das Arbeitsgas wieder durch den Regenerator gedr¨uckt und erw¨armt sich da-
bei isochor. Der Kreisprozess beginnt von neuem. Abbildung 1.10 zeigt den Aufbau eines
Stirlingmotors und Abbildung 1.11 den dazugeh¨origen Carnot Kreisprozess.
Stirlingmotoren sind W¨armekraftmaschinen mit außen liegender W¨armeerzeugung. Beim
Stirlingmotorprozess wird der Kolben nicht durch die Expansion heißer Verbrennungs-
abgase angetrieben, sondern durch einen inneren Kreisprozess, dem von außen thermische
Energie zugef¨uhrt wird. Der Vorteil hierbei ist, dass die mechanische Energieerzeugung von
der thermischen Energieerzeugung entkoppelt ist und somit einzeln optimiert werden kann
[2]. Die Restw¨arme, die nicht an den Stirlingmotor abgegeben wird, kann als Fern- oder
Prozessw¨arme genutzt werden.
Stirlingmotoren ben¨otigen Arbeitstemperaturen von ¨uber 500
C mit m¨oglichst großer
Temperaturspreizung. Stand der Technik sind 800 bis 900
C obere Arbeitstemperatur [21]
[65]. Mit sinkender Temperaturspreizung m¨ussen die W¨armetauscher extrem groß werden,
was sowohl technische als auch wirtschaftliche Probleme nach sich zieht. Stirlingmotoren
f¨ur Niedertemperaturanwendungen im industriellen Maßstab sind zwar technisch m¨oglich,
aber weder kommerziell verf¨ugbar noch wirtschaftlich vern¨unftig [17]. Wirkungsgrade von
6 bis 28% sind bei den am Markt erh¨altlichen Anlagengr¨ossen von 1 bis 150 kW
el
¨ublich.
10
Durch die externe W¨armeerzeugung und die geschlossene Bauweise gelangen keine Ver-
unreinigungen und Verbrennungsr¨uckst¨ande in das Motorinnere, weshalb mit langen War-
tungsintervalle gerechnet werden kann. Im Zuge der Entwicklung von solaren Kraftwerken
und Biomassenutzung erlebt der Stirlingmotor gerade eine Renaissance. Er k¨onnte in Zu-
kunft sein bisheriges Nischendasein verlassen und in der dezentralen Energieversorgung der
Zukunft seine Rolle spielen.
Thermophotovoltaische Zelle: Die thermophotovoltaische Zelle (TPV) funktioniert
prinzipiell wie eine gew¨ohnliche Solarzelle. Beide unterscheiden sich nur im Spektrum des
absorbierten Lichts. Das Absorptionsmaximum einer Solarzelle liegt im sichtbaren Be-
reich um 500 nm, da sich hier das Emissionsmaximum der Sonne befindet. TPVs besit-
zen ihr Absorptionsmaximum im langwelligen, infraroten Bereich zwischen 1 bis 2µm.
Das Funktionsprinzip einer TPV-Einheit ist relativ einfach. Ein Strahler wird durch ei-
ne W¨armequelle auf Temperaturen um 1000
C erhitzt. Der Strahler emittiert nun In-
frarotstrahlung mit einem stoffspezifischen und temperaturabh¨angigen Spektrum und ei-
nem charakteristischen Maximum. Die emittierten Photonen generieren Elektronen-Loch
Paare in einer spezifisch an dieses Emissionsspektrum angepassten photovoltaischen Zelle.
Theoretisch sind Wirkungsgrade von 30% bis 50% m¨oglich. Momentan werden im Labor
Wirkungsgrade um 10% erreicht. Abbildung 1.12 zeigt den Aufbau einer TPV Einheit.
Abb. 1.12.: Photovoltaische Zelle
Quelle: Max Planck Gesellschaft.: Home Page,
[51].
Wärmezufuhr
Material 1
Material 1
Material 2
Wärmeabfuhr
e
-
Abb. 1.13.: Aufbau eines TEG
Quelle: Roth, M.: Der Peltier Effekt, [60].
Die TVP zeichnet sich durch geringen Ver-
schleiss und niedrigen Wartungsaufwand aus.
Theoretisch k¨onnten TPVs eine um den Faktor
300 gr¨oßere Energiedichte als Solarzellen errei-
chen [33]. Bis auf Spezialanwendungen in Raum-
fahrt und Milit¨ar sind bisher aber noch keine An-
wendungen im industriellen Maßstab bekannt.
Das Entwicklungspotential wird als hoch ein-
gesch¨atzt.
Thermoelektrischer Generator: Die Funk-
tionsweise eines thermoelektrischen Generators
(TEG) beruht auf dem Seebeck-Effekt. Verbin-
det man zwei Metalle oder dotierte Halblei-
ter mit unterschiedlichen Kontaktspannungen
und erhitzt die Verbindungsstelle, so tritt an
den offenen Enden eine Thermospannung auf,
die wiederum einen Stromfluss hervorruft. Die
Thermospannung ist direkt vom Temperatur-
gef¨alle abh¨angig. Der umgekehrte Vorgang heißt
Peltier-Effekt, dabei wird durch eine angelegte
Spannung die Kontaktstelle abgek¨uhlt [50]. Der
Peltier-Effekt ist die Grundlage industriell gefer-
tigter Spezialk¨uhlelemente. Roth [60] gibt eine
anschauliche Erkl¨arung der physikalischen Hin-
tergr¨unde.
11
Vorteile des TEG sind die kompakte Bauweise und der wartungsarme und ger¨ausch-
lose Betrieb [60]. Die weitverbreiteste Anwendung ist die Temperturmessung. Mit Ther-
moelementen k¨onnen Temperaturen bis 3300 K gemessen werden. In nuklear versorgten
Satelliten kommen TEGs als Energiewandler heute schon zum Einsatz [60]. Die gr¨oßte
bisherige terrestrische Anwendung zur Abw¨armenutzung fand der Seebeck-Effekt bei ei-
nem Lastkraftwagen-Prototypen. Es wurde eine Leistung von 1 kW
el
durch Nutzung der
Abgasabw¨arme erreicht [9].
Auch gibt es ¨
Uberlegungen und erste Versuche, TEG´s mit Phase Change Materials
(PCM, latente Speichermaterialien) zu koppeln und damit eine mobile, ausdauernde und
leicht wiederaufladbare Energiequelle zu konstruieren [26]. Aus Schweden ist ein Projekt
bekannt, bei dem f¨ur Wohnh¨auser ohne Stromanschluß (einige hundert n¨ordlich des Po-
larkreises) ein TEG im Schuhkartonformat entwickelt wurde. Als W¨armequelle dient die
Kochplatte eines Holzofens. Diese handlichen TEGs erzeugen genug elektrischen Strom,
um damit Ger¨ate wie Radios und kleine Fernseher zu betreiben. Die industrielle Erzeu-
gung von elektrischem Strom aus Abw¨arme durch TEGs findet bis heute allerdings nicht
statt und ist mittelfristig auch nicht zu erwarten.
Magnetohydrodynamischer Generator: In einem magnetohydrodynamischen Ge-
nerator (MHD) wird in einer Brennkammer ein Plasma erzeugt. Um Gas in Plasma zu wan-
deln, m¨ussen Temperaturen von mehreren 1000 K erreicht werden. Dann dissoziieren die
atomaren Gasbestandteile in Ionen und Elektronen. Das Plasma wird mit hoher Geschwin-
digkeit in ein homogenes Magnetfeld expandiert, das senkrecht zum Geschwindigkeitsvek-
tor des Plasmastroms gerichtet ist. Aufgrund der Lorentzkraft trennen sich Elektronen
und Ionen und treffen auf seitlich angeordnete Elektrodenplatten, an denen sich ein Strom
Abb. 1.14.: Funktionsprinzip eines MHD-
Generators
Quelle: Fried, Heinz.: MHD-Generatoren, [29].
abnehmen l¨asst. Durch Zusatz von Alkalime-
tallen in den Plasmastrom lassen sich MHD-
Generatoren bei 2000 bis 3000 K betreiben. In
Abbildung 1.14 wird das Funktionsprinzip eines
MHD-Generators dargestellt.
Gebaute Versuchsanlagen hatten eine elek-
trische Leistungsf¨ahigkeit im einstelligen Mega-
wattbereich. Die Vorteile des MHD-Genartors
liegen im maximalen Wirkungsgrad von etwa
60% und einer, im Vergleich zu anderen Verfah-
ren, sehr hohen Leistungsdichte. Auch befinden
sich keine beweglichen Teile im Heißbereich. Die
extremen Temperaturen verursachen auf der an-
deren Seite aber Schwierigkeiten mit der Lang-
zeitstabilit¨at der eingesetzten Werkstoffe [56].
Bis heute sind MHD-Generatoren im Energie-
sektor nicht wirtschaftlich zu betreiben, obwohl
unter anderem in der ehemaligen Sowjetunion
und den USA ¨außerst intensive Forschung be-
trieben wurde. Der MHD-Generator ist aber ein
12
aussichtsreicher Kandidat f¨ur die Energieversorgung auf interplanetaren Missionen [29].
Aufgrund der extremen Temperaturanforderungen ist diese Form der W¨armewandlung f¨ur
die Abw¨armenutzung nicht geeignet.
In Tabelle 1.1 sind alle elektrischen Wandlungssysteme mit ihren wichtigsten Eigen-
schaften im ¨
Uberblick dargestellt.
1.5.
Erstbewertung und Vorauswahl der Abw¨armenutzungskonzepte
Um Abw¨arme in Form von W¨arme oder K¨alte chargenweise von der Deponie Sch¨oneicher
Plan zum Verbraucher zu transportieren, muss sie in mobilen Systemen gespeichert werden
(vgl. Abbildung 1.3, S. 5). Dazu sind sowohl sensible, als auch latente und chemische
Speicher denkbar. Aufgrund der großen Anzahl verf¨ugbarer Speichermaterialien, kann kein
System prinzipiell ausgeschlossen werden.
Bei den vorgestellten Techniken zur Wandlung von Abw¨arme in elektrischen Strom
kann anhand von drei Randbedingungen eine Vorauswahl getroffen werden. In die weitere
Betrachtung sollen nur Systeme eingehen, die den gebotenen Temperaturniveaus gerecht
werden und deren elektrische Leistungsf¨ahigkeit in passenden Gr¨oßenordnungen liegt. Wie
in Abschnitt 1.1 beschrieben, stehen nur Temperaturen von 450
C im Abgas und 95
C im
Motork¨uhlwasser zur Verf¨ugung. Stirlingmotor, Thermophotovoltaische Zelle und Magne-
tohydrodynamischer Generator sind deshalb nicht geeignet. Der Einsatz eines Thermoelek-
trischen Generators kann im Falle Sch¨oneicher Plan auch ausgeschlossen werden, da eine
kommerzielle Anwendung dieses Systems im Kilo- bis Megawattbereich bisher nicht exis-
tiert. Der Dampfschraubenmotor erf¨ullt zwar alle thermodynamischen Voraussetzungen,
ist aber noch in einem so fr¨uhen Entwicklungsstadium, dass an einen kommerziellen Ein-
satz in absehbarer Zeit nicht zu denken ist. Sobald der Dampfschraubenmotor am Markt
verf¨ugbar ist, stellt dieses System allerdings eine ernstzunehmende Alternative dar. Nur die
Dampfturbine und der Dampfkolbenmotor erf¨ullen die thermodynamischen Anforderungen
und sind am Markt in passender Gr¨oße verf¨ugbar. In Tabelle 1.2 ist die Erstbewertung als
¨
Ubersicht wiedergegeben.
Nach Vorbetrachtung der grundlegenden Konzepte zur Speicherung, zum Transport
und zur Wandlung von Abw¨arme ergeben sich folgende Untersuchungsschwerpunkte:
1. Speicherung in mobilen W¨armespeichern mit sensiblen, latenten und thermochemi-
schen Verfahren.
2. Wandlung der Abw¨arme in K¨alte
3. Speicherung der K¨alte in mobilen K¨altespeichern mit sensiblen, latenten und ther-
mochemischen Verfahren.
4. Wandlung der Abw¨arme in elektrischen Strom mittels Dampfturbine
5. Wandlung der Abw¨arme in elektrischen Strom mittels Dampfkolbenmotor
13
T
ab.
1.1.:
Ab
w
¨armen
utzung
durc
h
W
andlung
in
elektrisc
he
Energie
Aggregat
Thermo-
dynamisc
hes
Prinzip
T
em-
p
eratur
[C
]
Leistungs-
klasse
[M
W
el
]
Wirkungs-
grad
En
twic
k-
lungsstand
An
w
endungsb
ereic
he
und
Besonderheiten
Kleindampf-
turbine
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Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2001
- ISBN (eBook)
- 9783832450533
- ISBN (Paperback)
- 9783838650531
- DOI
- 10.3239/9783832450533
- Dateigröße
- 4.4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Berlin – Technischer Umweltschutz
- Erscheinungsdatum
- 2002 (Februar)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- deponiegas abwärmenutzung trans heat konzeptentwicklung wirtschaftlichkeitrechnung energietechnik umwelttechnik
