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Von biologischen Stoffen zur Elektrizität und Wärme

Effektivität und Effizienz der Energieerzeugung mit biogasbetriebenen Blockheizkraftwerken

Bachelorarbeit 2014 30 Seiten

Physik - Sonstiges

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Abstrakt / Abstract

2. Relevanz der Energie aus Biomasse

3. Die Wandlung von biologischen Stoffen zu nutzbarer Energie

4. Zukunftschancen der Energie aus Biomasse

5. Methodik
5.1 Genutzte Informationssysteme
5.2 Bearbeitungsstrategie
5.3 Aufbau und Ziel der Arbeit

6. Forschungsstand

7. Begriffserklärung
7.1 Biogas
7.2 Biogasanlage
7.3 Blockheizkraftwerk
7.4 Wirkungsgrad
7.5 Effektivität
7.6 Effizienz

8. Entstehung von Gas aus biologischen Stoffen in einer Biogasanlage

9. Chemischer Ablauf der Biogasentstehung

10. Aufbereitung und Weiterverarbeitung des Biogases

11. Die Wandlung von Biogas in andere Energieträger
11.1 Physikalische Grundlagen
11.2 Funktionsweise eines Blockheizkraftwerks
11.3 Der Verbrennungsmotor
11.4 Der Generator
11.5 Die Wärmenutzung
11.6 Effektivität und Effizienz Elektrizitätserzeugung
11.7 Effektivität und Effizienz Wärmeerzeugung
11.8 Effektivität und Effizienz eines Blockheizkraftwerks

12. Interpretation und Diskussion

13. Fazit und Ausblick

14. Literaturverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

II. Tabellenverzeichnis

1. Abstrakt / Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es aufzuzeigen, wie aus biologischen Produkten elektrischer Strom und Wärme erzeugt werden kann. Dabei wird untersucht, welche Schritte bei der Methanentstehung in einer Biogasanlage ablaufen. Anschließend wird erklärt, wie das Gas aufbereitet und in einem Blockheizkraftwerk verwertet wird. Des Weiteren wird bewertet, ob diese Methode sowohl effektiv als auch effizient ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Energieerzeugung aus biologischen Stoffen sowohl effektiv, als auch effizient sein kann. Entscheidend sind die verwendeten Ausgangsstoffe und der Umgang mit der erzeugten Energie.

The purpose of this research is to show how electricity and heat are generated frombiological products. It evaluate the steps that are involved in methane formation in abiogas plant. Then is explained how the gas is processed and utilized in a cogenerationunit. Further it is judged whether this method is both effective and efficient. The resultsshow that energy generation from biological materials, can be both effective and effi-cient. Decisive are the starting materials that are used and the handling of the gener-ated energy.

2. Relevanz der Energie aus Biomasse

Die Bedeutung des Bereiches regenerativer Energiegewinnung in der EuropäischenUnion und somit auch in der Bundesrepublik Deutschland wächst. Auf Grund der limi-tierten Verfügbarkeit von fossilen Energieträgern, des fortschreitenden Klimawandelsund der Nuklearkatastrophe von Fukushima, die den politischen Beschluss zur Ab-schaltung aller deutschen Atomkraftwerke bis 2022 zur Folge hatte, wird der „Schreinach grüner Energie“ immer lauter. Es werden Alternativen gesucht, um kostengüns-tig, umweltfreundlich, sicher und vor allem aus nachwachsenden Rohstoffen Energiezu gewinnen. Auch die Abfallbeseitigung bzw. Abfallverwertung stellt unsere Genera-tion vor eine große Aufgabe. Insofern werden Verfahren, die in der Lage sind, beideBereiche miteinander zu verknüpfen, besonders beachtet. Die Erzeugung von Stromund Wärme aus biologischen Stoffen und Abfällen stellt ein solches Verfahren dar.

3. Die Wandlung von biologischen Stoffen zu nutzbarer Energie

Um nutzbare Energie für die Industrie und den privaten Gebrauch aus biologischen Stoffen zu erhalten, müssen diese in ein Medium, das zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden kann, umgewandelt werden. Ein Weg der Umwandlung ist der Vorgang in einer Biogasanlage zu Methangas. Mit diesem Gas lässt sich ein Blockheizkraftwerk betreiben, das Strom und Wärme erzeugt.

4. Zukunftschancen der Energie aus Biomasse

Nach Ansicht vieler Experten steht ein hoher Wirkungsgrad von vorhandener energie-erzeugenden Technologien und damit die Energieeinsparung an oberster Stelle[1]. Auchder Umstieg auf nachwachsende Rohstoffe ist sehr wichtig, da fossile Energieträgernur begrenzt verfügbar sind. Nun stellt sich die Frage, ob die Herstellung von Wärmeund Elektrizität aus Biomasse über den Weg der Biogasanlage sowohl effektiv, alsauch effizient ist und somit einen großen Anteil am nachhaltigen Energiemix der Zu-kunft haben sollte oder ob es besser wäre, ihr einen kleinen Stellenwert zu zuschrei-ben.

5. Methodik

Im Folgenden soll nun die Vorgehensweise der Recherche, der Bearbeitung und der Aufbau der vorliegenden Arbeit erläutert werden.

5.1 Genutzte Informationssysteme

Die Grundlage zur Bearbeitung der Untersuchungsfrage lieferten unterschiedlicheQuellen. Zum einen waren es Datenbanken von der Statista GmbH, zum anderenFachzeitschriften und Sonderhefte wie das „Sonderheft der VersicherungskammerBayern zu Biogasanlagen“ von der Versicherungskammer Bayern. Hinzu kommt um-fangreiche Literaturrecherche in Büchern von Theodor Belting, Uwe Görisch, Fran-ziska Brettschneider, Wolfgang Suttor, Bernd Thomas und Barbara Eder. Außerdemwurden Informationen aus der Bertelsmann Lexikothek und verschiedene Internetsei-ten verarbeitet. Bei den Onlineinformationen wurde darauf geachtet, dass sie eine ver-antwortliche Person oder Institution, wie z.B. die Stadtwerke Hameln, die UniversitätWürzburg, die Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen oder Bayerische Landes-anstalt für Landwirtschaft, haben. Zusätzlich wurde ein Betreiber einer solchen Anlage,Herr Schwarzländer, befragt.

5.2 Bearbeitungsstrategie

Zu Beginn der Arbeit verschaffte man sich ein grober Überblick über den kompletten Ablauf, von den pflanzlichen Produkten bis zur Elektrizität und Wärme. Dafür wurde der Betreiber der ortsnahen Biogasanlage und des Blockheizkraftwerks, Herr Schwarzländer, befragt. Dieser erklärte die notwendigen Schritte schematisch. Danach wurde in den Quellen für jeden einzelnen Ablauf die passenden Informationen gesucht und ausgewertet. Dabei versuchte man die einzelnen Vorgänge genau zu beschreiben, dennoch sollte ein roter Faden erhalten bleiben.

5.3 Aufbau und Ziel der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich in drei Teile. Im ersten Abschnitt wird zum Thema hingeführtund es wird die Frage nach der Relevanz und den Zukunftschancen der Methode derEnergieerzeugung, die diese Arbeit behandelt, gestellt. Im zweiten Teil wird die Me-thodik der Bearbeitung und die Informationsquellen vorgestellt. Hinzu kommen der ak-tuelle Forschungsstand und die Begriffserklärungen. Den größten Anteil des zweitenAbschnitts hat die Erläuterung, wie aus biologischen Stoffen in einer BiogasanlageMethangas entsteht, wie dieses Gas aufbereitet und anschließend in einem Blockheiz-kraftwerk zu elektrischen Strom und Wärme wird. Dabei wird vor allem die Effektivitätund Effizienz betrachtet. Am Ende der Arbeit werden die Ergebnisse ausgewertet undinterpretiert. Zusätzlich wird eine Aussage über die zukünftige Nutzung solcher Anla-gen getroffen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es aufzuzeigen wie Energie aus biologischen Produkten, überden Weg der Biogasanlage und des Blockheizkraftwerks generiert werden kann undob dies sowohl effizient, als auch effektiv ist. Nur so hat diese Technik auch in ZukunftRelevanz.

6. Forschungstand

Nun gibt es viel Literatur und Nachschlagewerke, wie im Abschnitt 5.1 genannt, die dieEntstehung aus biologischen Stoffen zu Biogas beschreiben. Auch die Energieerzeu-gung in einem Blockheizkraftwerk ist ausreichend dokumentiert. Dennoch werden dieGasgewinnung aus Biomasse und die Strom- und Wärmeerzeugung zu oft separatbetrachtet. Damit lässt sich nur schwer ein Urteil bilden, ob die Umwandlung von bio-logischen Stoffen, über den Weg der Biogasanlage, in nutzbare Energie für die heuti-gen und kommenden Generationen eine gute Möglichkeit zur Energieversorgung dar-stellt.

Um nun die Zukunftschancen dieser Technologie zu bewerten, soll vor allem der Ablauf und der Wirkungsgrad bei der Energieerzeugung untersucht werden. Daraus leitet sich folgende Untersuchungsfrage ab:

Wie kann man aus biologischen Stoffen nutzbare Energie gewinnen und ist diessowohl effektiv, als auch effizient?

7. Begriffserklärungen

Auf den folgenden Seiten, werden die wichtigsten Begriffe dieser Arbeit erklärt.

7.1 Biogas

Biogas ist ein Gasgemisch, das zu rund zwei Dritteln aus Methan und zu einem Drittelaus Kohlendioxid besteht. Außerdem enthält es geringe Mengen von Stickstoff, Was-serstoff und Schwefelwasserstoff. Biogas, auch Faulgas genannt, ist ein Stoffwechsel-produkt der Methanbakterien, das entsteht, wenn diese organische Stoffe unter Luft-abschluss und bei möglichst gleichmäßiger Temperatur abbauen.[2] Dazu können Klär-schlamm, Bioabfall, Speisereste, Gülle, Mist, Pflanzenreste- und teile, aber auch Ener-giepflanzen, die direkt für diesen Zweck angebaut wurden, verwendet werden.[3]

7.2 Biogasanlage

Als Biogasanlage wird eine Anlage bezeichnet, die zur Erzeugung von Biogas, Wärme und Dünger aus pflanzlichen Abfallprodukten und/oder Mist dient.[4]

Abbildung 1: Blick auf die Biogasanlage Haid, Donau-Ries

7.3 Blockheizkraftwerk

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektri-scher Energie und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betriebenwird. Es kann aber auch Nutzwärme in ein Nahwärmenetz einspeist werden. Sie nutztdafür das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Namensgebend ist die Eigenart, dasssowohl Strom, als auch Wärme aus einem „Block“, also ein und demselben Gerätstammen.[5],[6]

7.4 Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines technischen Systems wird definitionsgemäß als das Verhältnis der erwünschten abgegebenen Leistungsform zu der zugeführten Leistung angegeben. Die physikalische Formel lautet:[7]

Dabei ist:

"η" der Wirkungsgrad, einheitenlos

"Pab" ist die abgegebene Leistung in Watt"PZu" ist die zugeführte Leistung in Watt

7.5 Effektivität

Die Effektivität ist ein Beurteilungskriterium, mit dem sich beschreiben lässt, ob eine Maßnahme geeignet ist, ein vorgegebenes Ziel zu erreichen. Über die Art und Weise der Zielerreichung werden bei der Betrachtung keine Aussagen getroffen.[8] Im Volksmund wird oft verbalisiert: „Werden die richtigen Dinge gemacht?“

7.6 Effizienz

Die Effizienz ist ein Beurteilungskriterium, mit dem sich beschreiben lässt, ob eineMaßnahme geeignet ist, ein vorgegebenes Ziel in einer bestimmten Art und Weise zuerreichen.[9] Umgangssprachlich wird oft artikuliert: „Werden die Dinge richtig ge-macht?“ Im technischen Sinne wird Effizienz in erster Linie als Wirkungsgrad verwen-det: Das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung eines Systems.[10]

[...]


[1] Debus, Barbara: Europas Energieexperten: Vorrang hat die Technik, die den Verbrauch senkt.http://idw-online.de/pages/de/news91945, Zugriff am 12.06.2014.

[2] Sonderheft der Versicherungskammer Bayern zu Biogasanlagen, S. 8

[3] http://www.niedrigenergieforum.de/biogas-definition-t512.html, Zugriff am 18.06.2014

[4] Lexikon-Institut Bertelsmann (1997): Bertelsmann Lexikon Band 2, S. 254

[5] http://de.wikipedia.org/w/index.php?oldid=131244504, Zugriff 18.06.2014

[6] Thomas, Bernd (2007): Mini-Blockheizkraftwerke, S. 14

[7] Ghali, Fadia (1984): Betriebsverhalten, Energiebilanzen, technische Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Klein-Blockheizkraftwerk-Anlagen, S. 41

[8] http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Definition/effektivitaet.html, Zugriff am 21.08.2014.

[9] http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Definition/effizienz.html, Zugriff am 21.08.2014

[10] https://www.projektmagazin.de//glossarterm/effizienz, Zugriff am 06.08.2014.

Details

Seiten
30
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783668641181
ISBN (Buch)
9783668641198
Dateigröße
1022 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v287566
Institution / Hochschule
Technische Universität München
Note
2,0
Schlagworte
stoffen elektrizität wärme effektivität effizienz energieerzeugung blockheizkraftwerken

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