RP-Energie-Lexikon
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Rekuperation

Definition: die Rückgewinnung von sonst verlorener Energie

Allgemeinerer Begriff: Energierückgewinnung

Spezifischere Begriffe: Wärmerückgewinnung, Bremsenergierückgewinnung

Englisch: recuperation

Kategorien: Energieeffizienz, Fahrzeuge, Grundbegriffe

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 10.05.2010; letzte Änderung: 25.06.2022

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Als Rekuperation bezeichnet man Verfahren zur Rückgewinnung von Energie, die sonst verloren ginge. Dies kann sich sowohl auf Wärme als auch auf mechanische bzw. elektrische Energie beziehen. Solche Arten der Energierückgewinnung können eingesetzt werden, um die Energieeffizienz zu erhöhen, d. h. den Energieverbrauch zu vermindern.

Rekuperation von Wärme

In einer Feuerungsanlage kann ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme über das Abgas verloren gehen. Solche Energieverluste sind vor allem dann besonders hoch, wenn die Wärmeabgabe bei einer hohen Temperatur erfolgen muss: Das Abgas kann selbst bei großzügig ausgelegtem Wärmeübertrager nicht kälter werden als das Medium, an das die Wärme abgegeben wird. Dieses Problem lässt sich durch Rekuperation lösen: Das nach dem Wärmeübertrager immer noch recht heiße Abgas gibt in einem zweiten Wärmeübertrager weitere Wärme an die zugeführte Verbrennungsluft ab. Auf diese Weise kann die Temperatur des Abgases schließlich fast auf die Umgebungstemperatur abgesenkt werden. Hierzu wird üblicherweise ein Gegenstrom-Rekuperator eingesetzt.

Die Rekuperation mit Vorerwärmung der Verbrennungsluft wird vor allem bei industriellen Öfen angewandt, die mit sehr hohen Temperaturen arbeiten. Sie ist dort entscheidend für die Erzielung eines guten Feuerungswirkungsgrad. Ein Problem ist allerdings die Bildung von Stickoxiden bei hohen Verbrennungstemperaturen, die durch diese Technik natürlich noch weiter erhöht werden. Eine Maßnahme hiergegen kann der Einsatz sogenannter FLOX-Brenner mit flammenloser Oxidation sein.

Die Rekuperation wird aber auch bei niedrigen Prozesstemperaturen eingesetzt, insbesondere bei vielen Brennwertkesseln, oft auch extern mit Hilfe eines LAS-Rohrs (Luft-Abgas-System). Dies ermöglicht es, eine weitgehende Kondensation des Wasserdampfs im Abgas zu erzielen, selbst wenn die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage relativ hoch sind.

Auch bei Lüftungsanlagen werden Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung eingesetzt und dann manchmal als Rekuperatoren bezeichnet.

In Dampfturbinenkraftwerken und anderen Dampfkesselanlagen kann statt der Verbrennungsluft eine Vorwärmung des Speisewassers in einem sogenannten Economiser stattfinden.

Rekuperation bei Antrieben

Der Begriff Rekuperation wird auch bei Antriebssystemen verwendet. Hier geht es um die Rückgewinnung von Energie bei Bremsen (Nutzbremsung). Besonders häufig und wirkungsvoll wird die Rekuperation bei elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen (Elektrolokomotiven und Trams) und bei Oberleitungsbussen eingesetzt. Hier wird beim Bremsen elektrische Energie erzeugt und in die Oberleitung eingespeist. Als Generator (Stromerzeuger) dient dabei die Elektromaschine, die sonst im Antrieb als Elektromotor arbeitet. Sehr hilfreich für die Realisierung ist moderne Leistungselektronik, z. B. mit rückspeisefähigen Frequenzumrichtern.

Ebenfalls möglich ist die Rekuperation bei Autos – am besten bei reinen Elektroautos, aber auch bei solchen mit Hybridantrieb; insbesondere im Stadtverkehr kann sie zu erheblichen Reduktionen des Kraftstoffverbrauchs führen. Auch hier kann beim Bremsen mit Hilfe des Elektromotors, der dann als Generator betrieben wird, elektrische Energie erzeugt werden, die dann in der Fahrbatterie gespeichert wird. Die Kapazität und Leistungsfähigkeit der Batterie begrenzt freilich die speicherbare Energiemenge (z. B. bei längeren Bergabfahrten) sowie die maximal aufzunehmende Bremsleistung; bei Elektroautos gelingt dies am besten, während die genannten Grenzen bei Hybridantrieben mit eher kleiner Batterie stärker zum Tragen kommen. Bei “Mild-Hybriden” wird teilweise nur eine etwas vergrößerte Starterbatterie verwendet, die beim Bremsen über die Lichtmaschine stärker geladen wird als sonst; hier kann meist nur ein sehr begrenzter Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden, außer bei leichtem Bremsen über kurze Zeit.

Energieverluste bei der elektrischen Rekuperation resultieren im Generator- und Motorbetrieb, außerdem gibt es weitere Verluste in der Batterie und in der Elektronik. Bei Elektro- und Hybridautos dürften sie insgesamt grob geschätzt irgendwo zwischen 20 % und 50 % liegen, je nach Qualität der Technik. Gerade wegen solcher Verluste erhöht also auch hier eine “sportliche” Fahrweise mit häufigem und starkem Bremsen den Energieverbrauch, aber immerhin deutlich weniger stark als bei Autos ohne Rekuperation.

Ein Zusatznutzen der Rekuperation ist die Schonung von Bremsen, die entsprechend weniger Energie vernichten müssen.

Eine mechanische Rekuperation ist auch mit Druckluftspeichern möglich. Hier wird beim Bremsen ein Kompressor betrieben, der eine Druckluftflasche auflädt. Beim Beschleunigen kann über einen kleinen Druckluftmotor wieder Antriebsenergie erzeugt werden. Diese Technik ist zwar weniger effizient als die elektrische Rekuperation und bietet auch ein deutlich kleineres Speichervolumen. Andererseits ist sie aber auch deutlich weniger aufwendig, weswegen ein breiter Einsatz in Autos möglich erscheint. Hierbei würde allerdings nicht zwingend ein Druckluftmotor benötigt, da ein modifizierter Verbrennungsmotor die Druckluft auch direkt nutzen könnte.

Ähnlich gibt es auch Ansätze basierend auf Hydraulik. Auch diese bieten typischerweise nur ein recht kleines Speichervermögen und eine magere Effizienz, könnten aber z. B. beim Bremsen in Stadtverkehr hier und da nützlich sein. Zu beachten ist allerdings auch das zusätzliche Gewicht durch solche Technik, welches den energetischen Vorteil effektiv weiter reduzieren kann.

Bei E-Bikes wird meistens keine Rekuperation praktiziert. Bei den meisten Einsatzbedingungen wäre auch wenig zurückzugewinnen, da ein großer Teil der Antriebsenergie für die Überwindung des Luftwiderstands benötigt wird. Zudem eignet sich das dominierende Konzept mit Mittelmotor auch nicht für die Rekuperation, da hier der Motor im Bremsbetrieb nicht angetrieben werden kann. Dagegen ist ein Nabenmotor zwar prinzipiell geeignet, jedoch kein idealer Antrieb für den Einsatz in steilem Gelände, wo die Rekuperation besonders wünschenswert wäre.

Rekuperation wird teils auch bei stationären Maschinen eingesetzt, die z. B. bei Kranen, Fahrzeugprüfständen und Zentrifugen.

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