Inhaltsverzeichnis

4.1.4 Generatoren (Gas zu Strom)

4.1.5 Kraft-Wärme-Kopplung

Quellen

4.1 Zentrale und dezentrale Strom- und Gasverteilernetze

Das Thema Zentrale und dezentrale Strom- und Gasverteilernetze befasst sich mit der Frage, wie in Zukunft die Strom- und Gasversorgung funktionieren soll und wie dabei Energie vom einen - ins andere Netz transportiert werden kann. Die Farge nach zentralen oder dezentralen Anlagen stellt sich insbesondere bei der Nutzung der Abwärme (Kraft-Wärme-Kopplung).

4.1.1 Synthetische Wasserstofferzeugung

Hochleistungselektrolyseur an der
H2-Tankstelle München^[10] Wasserstoff kann auf viele Wege gewonnen werden. Oft ist er Abfallprodukt aus der Industrie.
Jedoch eignet sich die elektrolytische Wasserstoffgewinnung besonders gut, um Strom in Gas zu verwandeln. Bei dieser wird Wasser unter Energiezugabe durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff geteilt:^[1]
2H2O → 4H2 + O2
Der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse beträgt in modernen Anlagen bis zu 80%^[2]. Wegen diesem günstigen Wirkungsgrad wird die Elektrolyse auch häufig das Verbindungsglied zwischen Strom und chemischer Energie darstellen. Weil man Wasserstoff aber nur schwer speichern kann, gibt es Konzepte, um diesen in Verbindung mit Kohlenstoff (Methan) zu binden ( ↓ SNG-Erzeugung ↓ ).

4.1.2 SNG (Synthetic Natural Gas)

4.1.2.1 SNG-Erzeugung allgemein

Unter SNG (Synthetic Natural Gas oder auch Substitute Natural Gas) versteht man die Erzeugung von erdgasähnlichen Gasen. In erster Linie besteht SNG aus Methan. Ein Teilprozess der SNG-Erzeugung heißt deswegen Methanisierung. Hierbei werden unter Druck und hohen Temperaturen Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Methan umgewandelt:^[3]
CO + 3H2 → CH4 + H2O
CO + H2O → CO2 + H2
Als Liferanten für Kohlenstoff können alle Arten organischer Substanzen (Biomasse, Holz, Kohle, etc.) genutzt werden.^[4]
Zur Zeit wird SNG in großen Mengen nur in einer Anlage in den USA hergestellt; diese wandelt jedoch nur Kohle in SNG um. Es herrschte zu ihrer Entstehung die Angst, die Erdgasvorräte könnten bald erschöpft sein.

4.1.2.2 Die SNG-Erzeugung aus Wasserstoff und CO2

Methan-Synthese-Reaktor
im Technikumsmaßstab^[9] Während synthetisch erzeugter Wasserstoff gefährlich und schwierig zu lagern ist, gibt es für SNG bereits praxistaugliche Speichertechnologien, bei denen das Gas in unterirdischen, ausgeschwemmten Salzstöcken gelagert wird. Diese ermöglichen außerdem die Speicherung von Hythan (Methan + Wasserstoff)^[5], was gerade bei der SNG-Erzeugung anfällt, wenn durch überhöhte Wasserstoffzugabe unerwünschte Nebenreaktionen verhindert werden sollen.^[3]

Wissenschaftler vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) forschen in einer Zusammenarbeit mit dem Farunhoferinstitut an einer Technologie, die SNG aus elektrischem Strom und CO2 gewinnt.^[6]

Der Wirkungsgrad wird für Großanlagen derzeit mit 60% angegeben.^[7]

Die Rückverwandlung von SNG in Strom ist wiederum mit großen Verlusten behaftet. Jedoch lässt sich die Abwärme hier effizient nutzen: ↓ Kraft-Wärme-Kopplung ↓.

4.1.2.3 Planungen für kommerzielle Nutzung

Die Firma Solar Fuel Technology aus Salzburg hat Interesse an der SNG-Technologie und plant für 2012 ein erstes SNG-Kraftwerk, das mit einer Leistung von etwa 10Mw Strom in SNG-Gas umwandeln soll.^[8]
Zur Zeit gibt es nur eine 50kw-Vorführanlage in Stuttgart.^[7]

4.1.3 Brennstoffzelle

MTU Hot Module Brennstoffzelle
im Michelinwerk Karlsruhe^[11] In einer Brennstoffzelle kann Sauerstoff und Wasserstoff in elektrischen Strom umgewandelt werden. Die Reaktionsgleichung lautet:
2H2 + O2 → 2H2O
Im Detail werden Wasserstoff und Sauerstoff in zwei, durch eine Membran getrennte, Kammern zugeführt. Der Wasserstoff (H2) wird an der Anode in 2 H+ gespalten. Die beiden freigewordenen Elektronen wandern durch den Stromkreis zur Kathode. Hier wird durch vier solcher Elektronen der Sauerstoff (O2) in 2 O-- gespalten. Angetrieben durch die elektrische Anziehung wandern die H+ - Ionen (Die als einzige Teilchen in der Reaktion klein genug dafür sind) durch die Membran in die Sauerstoff-Kammer. Hier reagieren nun zwei H+ - Ionen mit einem O-- - Ion zu Wasser.^[12]

Es gibt unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen. Der Aufbau einer Brennstoffzelle eines Typen unterscheidet sich maßgeblich von dem - eines anderen Typen. Einige Brennstoffzellen verwenden sogar andere chemische Stoffe anstelle von Sauerstoff und Wasserstoff, wie etwa die DMFC-Bernnstoffzelle^[13]. So lassen sich Brennstoffzellen auch für die Umwandlung von SNG in Strom nutzen; dafür wird das Methan vor der Verwendung in der Zelle durch Methan-Dampf-Reformierung wieder in Kohlenstoff und Wasserstoff geteilt^[14].

Ein großer Nachteil von Brennstoffzellen ist die Reaktionsträgheit. Um eine hohe Leistung der Zelle zu erreichen, werden an der Kathode Katalysatoren, wie Platin oder Palladium benötigt. Diese sehr seltenen Metalle machen die Brennstoffzellen sehr teuer, auch wenn es inzwischen Verfahren gibt, die die Menge des Katalysators stark reduzieren.^[15]
Außerdem können Leistung und Effizienz durch erhöhen der Betriebstemperatur gesteigert werden, zum Beispiel bei der SOFC- und MCFC-Brennstoffzelle^[16].

Der Hauptvorteil der Brennstoffzellen besteht in dem hohen Wirkungsgrad von bis zu 65%.^[17]

4.1.4 Generatoren

Generatoren im
Hooverdamm in Nevada^[21] Ein Generator kann aus Bewegungsenergie elektrische Energie herstellen. Dies geschieht über drehende Magnete bzw. Spulen, wobei durch die ständige Änderung des Magnetfeldes in den Spulen eine Spannung induziert wird.^[18] Der Wirkungsgrad beträgt in guten Generatoren über 90%, was sie für die Stromgewinnung sehr interessant macht.^[19]
Für die Gewinnung der Energie für die Drehbewegung stehen bei der Verwendung von Gas folgende Techniken zur Verfügung:

Der Nachteil an diesen Techniken ist der geringe Wirkungsgrad von höchstens 60% bei der Gasturbine. Grund für diese schlechten Wirkungsgrade ist, dass diese Techniken alle das Gas verbrennen um so durch Druckaufbau Bewegung zu erzeugen. Bei der Umwandlung von Wärme gilt als Obergrenze der Carnot-Wirkungsgrad.^[20]
Deswegen gibt es Konzepte, um die entstehende Abwärme effizient zu nutzen: ↓ Kraft-Wärme-Kopplung ↓.

4.1.4.1 Dampfturbine

Bei der Dampfturbine wird Gas verbrannt, um Wasser zum kochen zu bringen. Der entstehende Überdruck treibt eine Turbine an. Wirkungsgrad liegt bei höchstens 50%.^[22]

Das Bild zeigt eine HMN Dampfturbine im Kohlekraftwerk 3 (Mainz-Wiesbaden).^[27]

4.1.4.2 Gasmotor

Der Gasmotor funktioniert ähnlich wie der Ottomotor. Ein explosives Luft-Gas-Gemisch wird im Kolben verdichtet durch einen Funken entzündet. Es kommt zu einer kleinen Explosion, die den Kolben auseinander drückt, sodass dieser die Kraft auf eine Welle übertragen kann. Wirkungsgrad liegt zwischen 25 und 42%.^[23]

Das Bild zeigt ein von der Firma LichtBlick in Zusammenarbeit mit VW entwickeltes Blockheizkraftwerk mit Gasmotor.^[28]
Weitere Informationen zum Blockheizkraftwerk von LichtBlick stehen bei ↓ Kraft-Wärme-Kopplung ↓.

4.1.4.3 Gasturbine

In einer Gasturbine treibt, im Gegensatz zur Dampfturbine, das verbrannte Gas direkt die Turbine an. Dies ermöglicht eine hohe Betriebstemperatur, wodurch der Carnot-Wirkungsgrad größer wird. Der Wirkungsgrad von Gasturbinen liegt deswegen bei bis zu 60%.^[24]

Das Bild zeigt eine von Simens entwickelte und zur Zeit weltweit leistungsstärkste Gasturbine SGT5-8000H im bayerischen Irsching bei Ingolstadt.^[29]

4.1.5 Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) beschreibt die effiziente Verwendung von Verlustleistungswärme bei verschiedenen Arten von Energieumwandlungen oder anderen Prozessen. Die Nutzung der Abwärme kann entweder durch Fernwärmeleitungen bei Großanlagen (Zentral) oder durch Anschluss einer hauseigenen Stromerzeugeranlage an die Heizung (Dezentral) erfolgen.^[25]
Weitere Informationen hierzu stehen im Kapitel Wärmenetze.

Bei der ↑ SNG-Erzeugung ↑ dürfte die KWK keine große Rolle spielen, da hier die bereits überflüssige Energie verwendet wird. Bei der Rückverwandlung, insbesondere bei wenig effizienten Motoren/Turbinen, dagegen ist die Nutzung der Abwärme von großem Interesse, besonders während der Wintermonate. Deswegen ist in Zukunft mit einer zunehmenden Dezentralisierung der Stromversorgung zu rechnen.^[26]

Für dezentrale Kleinanlagen werden in erster Linie Gasmotoren genutzt werden. Das Unternehmen LichtBlick stellt für den häuslichen Gebrauch in einer Zusammenarbeit mit VW Blockheizkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von 19 Kw und einer Wärmeleistung von 31 Kw her. Der Verstromungswirkungsgrad beträgt dabei nur etwa 37%, jedoch können durch effiziente Kraft-Wärme-Kopplung über 90% der zugeführten Energie genutzt werden.^[30]