Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  1

2.  Energieverbrauch Deutschland  4

3.  Strommarkt  5

4.  Wärmemarkt  6

5.  Fördermaßnahmen  8

5.1  Erneuerbare-Energien-Gesetz  11

5.2  Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz  14

6.  Kraft-Wärme-Kopplung  16

6.1  KWK-Techniken  19

6.1.1  Heizkraftwerke  20

6.1.2  Gasturbinen mit Abhitzenutzung  20

6.1.3  GuD-Anlagen  21

7.  Blockheizkraftwerke  21

7.1  Aufbau  22

7.1.1  Motorische Antriebe  23

7.1.2  Generatoren  26

7.1.3  Wärmetauscher  28

7.1.4  Überwachungssysteme  28

7.2  Brennstoffe  29

7.3  Abgas-Emissionsminderung  32

7.3.1  Oxidationskatalysatoren  34

7.3.2  Dreiwegekatalysatoren  34

7.3.3  Selektive katalytische Reduktion  35

7.3.4  Ruß- und Partikelfilter  35

7.4  Lärm-Emissionsschutz  36

8.  Neue KWK-Technologien  37

8.1  Dampfmotoren  37

8.2  Stirlingmotoren  39

8.3  Brennstoffzellen  39

9.  Praxisbeispiel  40

10.  Fazit  43

11.  Literaturverzeichnis  45

12.  Internetquellen  45

1. Einleitung

Die beiden Ölkrisen in den Jahren 1973 und 1979 haben den Menschen drastisch vor Augen geführt, in welcher Abhängigkeit sie sich zu wenigen Ländern dieser Erde befinden, um ihren gewohnten Lebensstil fortführen zu können. Unser heutiges Leben in den Industrieländern ist von einem rasanten technischen Fortschritt und einer Gesellschaft gekennzeichnet, die ihr derzeitiges Konsumverhalten wohl auch in absehbarer Zeit nicht entscheidend einschränken wird. In Deutschland gab es nach den Ölkrisen erste Bestrebungen, um Erneuerbare Energien weiter zu erschließen. Bis dahin existierten auf diesem Gebiet, abgesehen von der Nutzung von Brennholz und der Stromerzeugung aus Wasserkraft, kaum andere Ansätze. Es dauerte allerdings noch weitere Jahre und die Katastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl, bis Erneuerbare Energien als Option für eine nachhaltige Energieversorgung eindringlicher diskutiert wurden. Seitens der Politik wurde mittels des Stromeinspeisungsgesetzes, welches am ersten Januar 1990 in Kraft trat, der Grundstein dafür gelegt, dass Investoren eine höhere Planungssicherheit erhielten und dass letztendlich auch ein rasanter Anstieg beim Bau von Windkraftanlagen zu verzeichnen war. Im Jahr 2000 wurde dann das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erlassen und in Folge zweimal novelliert, was Deutschland eine Vorreiterrolle in Bezug auf die Einspeisevergütung beschert hat. Um die Nutzung Erneuerbarer Energien weiter voran zu treiben, wurden noch zwei weitere Gesetze in Deutschland verabschiedet. Zum einen das Biokraftstoffquotengesetz aus dem Jahr 2006 und zum anderen das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) aus dem Jahr 2009. ¹ Erst- und letztgenanntes Gesetz werden in einem späteren Kapitel noch eingehender beleuchtet, um einerseits darzustellen, welche Vorgaben die Politik deutlich macht und inwiefern es möglich ist, diesen Vorgaben gerecht zu werden. Die beschriebenen Maßnahmen sind eine Reaktion auf die immer weiter gestiegenen Energiepreise, in heutiger Zeit vor allem bedingt durch die enorm gewachsene Energienachfrage aus Ländern wie China oder Indien und dem gleichzeitig knapper werdenden Angebot. In den letzten Jahren ist dann die immer stärker werdende Problematik des Klimawandels in den Fokus getreten, weswegen die Forcierung Erneuerbarer Energien immer weiter vorangetrieben wurde. Bis zum Jahr 2050 soll der

^{1 Vgl. STAISS, FRITHJOF (2007): Jahrbuch Erneuerbare Energien. - 1. Aufl., Bieberstein, Seite 1-2.} Seite | 1

Ausstoß an Kohlendioxid im Vergleich zum Jahr 1990 mindestens halbiert werden, um die globale Temperaturerhöhung auf zwei Grad Celsius zu beschränken. ² Auf der einen Seite ist es nötig, dass die nahezu unerschöpflichen Energiequellen Biomasse, Sonne, Wasser und Wind in Zukunft sehr viel mehr Strom und Wärme liefern müssen als bisher. Doch nur mit Hilfe von ihnen den Energiehunger der Menschen stillen zu wollen, wird in absehbarer Zukunft kaum möglich sein, wenn auf der anderen Seite das Verfeuern von Kohle weitestgehend reduziert werden muss und wenn die Lagerung des Kohlenstoffdioxids nicht gelingt. Ein weiteres Problem auf dem Weg zum Erreichen der ehrgeizigen Klimaziele ist der Atomausstieg. Die rot-grüne Koalition hat im Jahr 2000 den Ausstieg beschlossen, heute muss man sich allerdings zwingend mit der Frage beschäftigen, ob man sich den baldigen Ausstieg überhaupt leisten kann oder ob es nicht doch sinnvoll erscheint, die Laufzeiten für Atomkraftwerke zu verlängern. Interessant in diesem Zusammenhang ist eine Studie des Energiewirtschaftlichen Instituts der Universität Köln und des Beratungsunternehmens Prognos, die besagt, dass das Klima mehr davon profitieren wird, wenn die Laufzeiten um zwanzig Jahre verlängert werden als von einem umfassenden Ausbau der erneuerbaren Energien. 3

Mit Blick auf die untenstehende Grafik wird ersichtlich, wie schwierig die Umsetzung der vereinbarten Klimaziele in Zukunft werden wird. In siebzehn Jahren ist es zwar in der Industrie und bei privaten Haushalten gelungen, sehr viele C0 2 -Emissionen einzusparen, im Gegensatz dazu konnten in der Energiewirtschaft und im Verkehr nur geringe Anteile realisiert werden.

² Vgl. http://www.wbgu.de/wbgu_factsheet_2.pdf (Stand 15.06.2010).

³ Vgl. RUBNER, JEANNE (2007): Das Energiedilemma - Warum wir über Atomkraft neu nachdenken müssen. -

Bonn, Seite 11-14 und 267-268.

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Abb.1

Quelle: Bundesverband Braunkohle, Stand 4/2009.

Sicher wird es auch in Zukunft möglich sein, effizientere Kraftwerke, sparsamere Kraftfahrzeuge oder energiesparendere Häuser zu entwickeln, doch muss man klar festhalten, dass das Ziel der immensen Einsparung an schädlichen Treibhausgasen durchaus erreicht werden kann, schwer aber mit den bereits erwähnten vorherrschenden Ideen. Es wird unumgänglich sein, Kompromisse beim Klimaschutz oder beim Atomausstieg einzugehen.

Welchen Beitrag können nun aber die Erneuerbaren Energien leisten? Was ist technisch und auch politisch realisierbar?

In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Bereich etwas näher beleuchtet, nämlich der Beitrag von Blockheizkraftwerken (BHKW) bezogen auf die Produktion von Strom und Wärme. Um deren Bedeutung sichtbar zu machen, geht es in einem ersten Teil um den Energieverbrauch in Deutschland und die Frage, in welchem Größenbereich Erneuerbare Energien derzeit in der Lage sind, einen gewissen Anteil abzudecken. In diesem Zusammenhang wird in zwei Kapiteln besonderes Augenmerk auf den Strom- als auch auf den Wärmemarkt gelegt. Anschließend sollen die bereits genannten Gesetze näher erklärt werden, welche einen Anreiz schaffen sollen, möglichst viel Energie aus regenerativen Ressourcen zu nutzen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und der Rolle der BHKW. Es werden verschiedene KWK-Techniken vorgestellt, bevor es in Kapitel 7 um die eigentlichen BHKW geht. Diese werden zunächst von der technischen Seite aus erklärt und es werden unterschiedliche Arten von Seite | 3

nutzbaren Brennstoffen dargestellt. Daran anschließend geht es um Systeme zur Minderung von Abgasemissionen und um Möglichkeiten zum Lärmschutz. In Kapitel 8 wird ein kurzer Ausblick in zukünftige Entwicklungen der KWK-Technologien gegeben. Abschließend wird ein Einblick in die Praxis gewährt, indem ein Ende 2009 in Betrieb genommenes Pflanzenöl-BHKW betrachtet und anhand von Betriebserfahrungen die Wirtschaftlichkeit analysiert wird. In einem zusammenfassenden Fazit wird noch einmal der Frage nachgegangen, welche Möglichkeiten bestehen, die große weltweite Energienachfrage und den Klimaschutz in ein vertretbares Miteinander gelangen zu lassen.

2. Energieverbrauch Deutschland

Abb.2

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V., Stand 1/2010.

Im Jahr 2009 fiel der Energieverbrauch in Deutschland mit 13 341 Petajoule auf das niedrigste Niveau seit Anfang der 1970er Jahre. Verantwortlich dafür muss der konjunkturelle Einbruch gemacht werden; vor allem in den energieintensiven Industriezweigen wurde die Produktion derart reduziert, dass der Energieverbrauch sehr viel stärker zurückging als die Wirtschaftsleistung. Konjunkturelle Gründe waren ebenso für einen Rückgang des Mineralölverbrauchs verantwortlich, wie die erhöhte Beimischung von Biokraftstoffen. Besonders stark ging der Verbrauch an Steinkohle zurück, was vor

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allem durch den Rückgang des Einsatzes der Steinkohle zur Stromerzeugung bedingt ist, da es insgesamt zu einer niedrigeren Stromerzeugung kam. Wie Abbildung 2 zeigt, trugen Erneuerbare Energien im Jahr 2009 8,9% zum Primärenergieverbrauch in Deutschland bei. Etwa 75% entfielen hierbei auf Biomasse, 11,5% trug die Windenergie bei und etwa 6% sind der Wasserkraft zuzurechnen. Von eher geringer Bedeutung sind die Anteile von Photovoltaik, Solarthermie und Erdwärme anzusehen, deren Anteile jeweils etwas weniger als zwei Prozent ausmachten. Die Verteilung des Energieaufkommens im Jahr 2009 sah bei den Erneuerbaren Energien folgendermaßen aus: Rund 54% wurden zur Stromerzeugung eingesetzt, 36% für die Wärmeerzeugung und schließlich rund 10% für die Bereitstellung von Kraftstoffen. 4

Die 8,9% der Erneuerbaren Energien scheinen absolut gesehen einen geringen Teil einzunehmen. Vergleicht man diesen Wert allerdings mit dem Anteil vom Jahr 1990 von etwa 1,3%, so hat sich der Anteil innerhalb von fast zwanzig Jahren mehr als versechsfacht. ⁵ Bei einer weiteren stabilen Entwicklung und eines positiven Ausbaus könnte der Anteil von 10% im Jahr 2020 erreicht werden.

3. Strommarkt

Mit einer Stromerzeugung von 92,7 TWh (2009: 93,0 TWh) haben Erneuerbare Energien im Jahr 2008 einen Anteil von 15,1% (2009: 16,0%) am gesamten Bruttostromverbrauch von 614,8 TWh (2009: 582,5 TWh) erreicht. Auf die Windenergie entfielen 6,6%, auf die Wasserkraft 3,3% und auf die verschiedenen Biomassearten 3,6%. ⁶ Der Anteil, den BHKW beisteuerten, ist in den 3,6% der Biomasse enthalten. Die feste Biomasse, also Altholz und Restholz, stellte den größten Anteil des Bioenergie-Stroms, gefolgt von dem Strom, der in den BHKW der Biogasanlagen erzeugt wurde. Im Jahr 2008 verfügten die 4 100 Biogasanlagen über eine installierte Leistung von 1 435 Megawatt. Die Stromproduktion belief sich im genannten Jahr auf etwa 8,1 TWh. Dies entspricht in etwa der jährlichen Stromproduktion eines Atomreaktors und ist ausreichend für die Versorgung von etwa 2 Millionen Durchschnittshaushalten. Der produzierte Strom aus Klär- und Deponiegas betrug in dem genannten Zeitraum etwa 2 TWh. Hingegen dieser positiven Entwicklung

⁴ Vgl. Jahresbericht Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. 2009.

⁵ Vgl. STAISS, FRITHJOF (2007): Jahrbuch Erneuerbare Energien. - 1. Aufl., Bieberstein, Seite 2.

⁶ Vgl. http://www.ag-energiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=65 (Stand 15.06.2010).

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hat sich die Zahl der mit flüssiger Biomasse, also Pflanzenöl, betriebenen BHKW in Bezug auf das Jahr 2007 nahezu halbiert. 2008 erzeugten 1 400 Pflanzenöl-BHKW 1,5 TWh Strom. Der Grund für den Rückgang der Anlagen ist zum einen darin begründet, dass der Rapsölpreis stark angestiegen ist und daher vor allem kleinere Anlagen nicht mehr rentabel sind und zum anderen darin, dass nicht nachhaltig erzeugtes Palm- und Sojaöl keine Förderung mehr erhält. 7

Bezieht man die Zahlen wieder auf das Jahr 1990, wo der durch Erneuerbare Energien erzeugte Strom 18,5 TWh ⁸ betrug, so hat sich auch in diesem Bereich der Anteil verfünffacht. Die enorme Zunahme in den letzten Jahren ist das Ergebnis der gesetzlichen Vergütungsregelungen für die Stromeinspeisung aus Erneuerbaren Energien in das öffentliche Stromnetz. Durch das oben bereits angesprochene EEG erweitert sich die Basis zunehmend auf die Nutzung von Biomasse, aber auch auf Sonnenenergie und Geothermie. ⁹ Die beiden letztgenannten haben momentan jedoch eine geringe Bedeutung bei der Stromerzeugung, wenn auch die Photovoltaik besonders in den letzten drei Jahren kontinuierlich zugenommen hat und 2009 einen Anteil von 1,0% an der Stromerzeugung erreichte. 10

4. Wärmemarkt

Im Wärmemarkt ist die Bedeutung von Erneuerbaren Energien geringer als im Strommarkt. 2005 lag der Anteil am Brennstoffverbrauch für die Wärmebereitstellung bei etwa 5,4%, was einer Endenergiebereitstellung von 80,6 TWh entspricht. Nach wie vor entfällt der größte Teil auf die Nutzung von Biomasse. Anders als beim Strom- oder auch Kraftstoffmarkt ist die Belastbarkeit der Daten deutlich geringer, da die Erfassung der Wärmebereitstellung aus der hohen Anzahl von Solar- und Geothermieanlagen nicht möglich ist und man dabei auf plausible Annahmen und ergänzende statistische Erhebungen angewiesen ist. Gleiches gilt zusätzlich für die Wärmebereitstellung aus den Millionen von Biomassefeuerungen, die vom Beistellofen über Kachelöfen bis hin zu Pelletheizungen reichen. Nachweislich ist allerdings, dass die stark angestiegenen Preise

⁷ Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/de/bioenergie/detailansicht/article/105/strom-aus-

biomasse.html (Stand 15.06.2010).

⁸ Vgl. STAISS, FRITHJOF (2007): Jahrbuch Erneuerbare Energien. - 1.Aufl., Bieberstein, Seite 6.

⁹ Vgl. ebd., Seite7.

¹⁰ Vgl. http://www.ag-energiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=65 (Stand 15.06.2010).

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für Heizöl und Erdgas seit 2004 dem Energieträger Holz zu einer Renaissance verholfen haben. 2005 konnte gegenüber dem Vorjahr ein Plus von 20% bei der Installation von Neuanlagen verzeichnet werden, wobei Biomassefeuerungen den größten Anteil ausmachen, gefolgt von Solarthermieanlagen und Wärmepumpen. ¹¹ 2009 konnten die Erneuerbaren Energien im Wärmesektor recht stark an Bedeutung gewinnen und erhöhten ihren Anteil somit auf 9,6%. Dies bedeutet eine Wärmeerzeugung von 125,3 TWh. Im zweiten Halbjahr 2009 brach der Absatz von Anlagen der regenerativen Wärmeerzeugung allerdings regelrecht ein. In Anbetracht dieser Entwicklung wurde von vielen Seiten gefordert, dass die Politik mehr Anreize schaffen müsse, um den Einbau regenerativer Heizsysteme voranzutreiben. ¹² Die Bundesregierung ihrerseits sprach noch im März dieses Jahres von einem Förderrekord im Jahr 2009 bei Erneuerbaren Energien im Wärmebereich. Das ehrgeizige Ziel lautet, dass der Anteil der Erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch für Wärme im Jahr 2020 14% betragen soll. Insgesamt wurden im Jahr 2009 Investitionen von mehr als drei Milliarden Euro getätigt, was fast einer Verdopplung zum Vorjahr entspricht. ¹³ Im Mai 2010 kam dann für alle Interessenten die Hiobsbotschaft aus Berlin. Mit sofortiger Wirkung wurden sämtliche Zuschüsse für Solarkollektoren, Biomasseheizungen und Wärmepumpen eingestellt und es konnten desweiteren keine neuen Förderanträge entgegengenommen werden. Hinzu kommt, dass das Förderprogramm für kleine Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (hierzu zählen die sogenannten Mini-BHKW) und das Programm zur Förderung von Klimaschutzprojekten in Kommunen rückwirkend gestoppt wurden. Dies bedeutet, dass vorliegende Anträge aus dem vergangenen Jahr nicht mehr genehmigt werden. Weiter heißt es, dass kommunale Klimaschutzprojekte erst im Jahr 2011 fortgeführt werden können; dies aber nur unter der Prämisse, dass bis dahin Haushaltsmittel zur Verfügung stünden. Abschließend ist auch das Förderprogramm zur Steigerung der Energieeffizienz in der Landwirtschaft und im Gartenbau betroffen, so dass auch in diesem Bereich keine Anträge mehr angenommen werden. 14

¹¹ Vgl. STAISS, FRITHJOF (2007): Jahrbuch Erneuerbare Energien. - 1.Aufl., Bieberstein, Seite 8-12.

¹² Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/de/startseite/detailansicht/article//erneuerbare-energien-

2009-weiter-auf-wachstumskurs-bee-fortschritte-im-waermemarkt-jetzt-beschleun.html (Stand

15.06.2010).

¹³ Vgl. http://www.bmu.de/pressemitteilungen/aktuelle_pressemitteilungen/pm/45729.php (Stand

15.06.2010).

¹⁴ Vgl. http://www.bmu.de/pressemitteilungen/aktuelle_pressemitteilungen/pm/45961.php (Stand

15.06.2010).

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