Westsächsische Hochschule Zwickau (FH)

Fachbereich Wirtschaftswissenschaften

Diplomarbeit

Thema:

Feasibility Study für die Errichtung eines dezentralen

Holzheizkraftwerkes

Eingereicht von:

Zeiner, Anton

Abgabetermin: 22.07.2009

---

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

I

Abkürzungsverzeichnis

V

1.

Einleitung

1

1.1

Zielstellung und Aufbau

2

1.2

Begriffsdefinitionen und Erläuterungen

4

1.2.1

Erneuerbare Energien

4

1.2.1.1

Erneuerbare Energien in Deutschland und ihre Entwicklung

5

1.2.1.2

Biomasse

10

1.2.2

Kraft-Wärme-Kopplung

13

1.2.2.1

Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung

14

1.2.2.2

Energetische und ökologische Bewertung

16

1.2.2.3

Wirtschaftliche Bewertungen

17

1.2.3

Rechtliche Rahmenbedingungen

19

1.2.3.1

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz

19

1.2.3.2

Biomasseverordnung

23

2.

Holz als Energieträger

24

2.1

Zusammensetzung und Klassifikation

25

2.2

Energieinhalt

27

2.3

Ökologische Bewertung der Energiegewinnung mit Holz

31

2.4

Holzvorkommen und Potential in Deutschland

33

2.5

Energetische Umsetzungsmöglichkeit von Holz

33

2.6

Nutzungsmöglichkeiten des erzeugten Stroms und der Wärme

35

I

---

3.

Planung und Realisierung eines Holzheizkraftwerkes

auf Basis Kraft-Wärme-Kopplung

36

3.1

Phase 1: Planung

37

3.2

Phase 2: Entwurf

41

3.3

Phase 3: Spezifikationen

42

3.4

Phase 4: Bauvorbereitung

43

3.5

Phase 5: Bau und Probebetreib

44

3.6

Phase 6: Inbetriebnahme

45

4.

Technologieauswahl

45

4.1

Technologischer Gesamtaufbau und Dimensionierung

45

4.1.1

Lagerung und Trocknung des Brennstoffes

49

4.1.2

Kessel mit Vorschubrostsytem und Nassentschlacker

50

4.1.2.1

Stufen der Holzverbrennung

53

4.1.2.2

Stickstoffoxid-Reduktion

55

4.1.2.3

Anforderungen für eine vollständige Verbrennung

57

4.1.3

Dampfturbinentechnik im Kraft-Wärme-Kopplungsprozess

58

4.1.4

Abluftreinigung

60

4.1.4.1

Elektrofilter

60

4.1.4.2

Absorption mittels zirkulierendem Wirbelschichtreaktor

62

4.1.4.3

Gewebefilter

63

4.1.5

Verwertung der Asche und der Reaktionsprodukte

65

4.2

Emissionen bei der Verbrennung von Holz

66

4.2.1

Treibhausgase

68

4.2.2

Andere Schadstoffe

69

II

---

4.2.3

Die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft und

die Bewertung der Schadstoffe

71

5.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes

75

5.1

Grundsätzliches zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

75

5.2

Investitionsbedarf und Finanzierung

76

5.3

Kosten des Holzheizkraftwerkes

79

5.3.1

Personalkosten

79

5.3.2

Brennstoffkosten

81

5.3.3

Sonstige Kosten

82

5.4

Produktion, Umsatz und Gewinn des Holzheizkraftwerkes

83

5.5

Investitionsanalyse

85

5.5.1

Liquiditätsplanung

86

5.5.2

Cash-Flow-Analyse

87

5.5.3

Die Rentabilität des Holzheizkraftwerkes

88

5.5.4

Die Gewinnschwelle des Holzheizkraftwerkes

89

6.

Das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes

90

6.1

Grundsätze des Bundesimmissionsschutzgesetztes

92

6.2

Geltungsbereich des Bundesimmissionsschutzgesetzes

94

6.2.1

Besondere Begriffsdefinitionen

95

6.2.1.1

Anlagenbegriff

95

6.2.1.2

Stand der Technik

97

6.2.2

Anwendungsbereich des Bundesimmissionsschutzgesetzes

97

6.2.3

Das vereinfachte Genehmigungsverfahren nach dem

Bundesimmissionsschutzgesetzes

98

III

---

6.2.4

Geltungsbereich des Gesetztes der Umweltverträglichkeitsprüfung

99

6.3

Die Erstgenehmigung des Holzheizkraftwerkes

101

6.3.1

Fristen des Genehmigungsverfahrens

101

6.3.2

Ablauf des Genehmigungsverfahrens

103

6.3.3

Antragsunterlagen und Formulare

106

7.

Zusammenfassung

107

Abbildungsverzeichnis

110

Tabellenverzeichnis

111

Literaturverzeichnis

113

Anhang

119

1.

Örtliche Aufteilung der am Vorhaben beteiligten Unternehmen

119

2.

Wesentliche Verfahrensschritte des Holzheizkraftwerkes

120

3.

Gewinn und Verlustrechnung nach Bereichen gegliedert

121

4.

Gewinn und Verlustrechnung des Gesamtunternehmens

122

5.

Liquiditätsplan der Unternehmung über die ersten zwei Jahre

123

6.

Prüfung der UVP-Pflicht für Neuanlagen

125

7.

Allgemeines Ablaufschema des Genehmigungsverfahrens

126

8.

Vorzulegende Antragsunterlagen für eine Neugenehmigung nach

BImSchG

127

IV

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Abkürzungsverzeichnis

AFA

Absetzung für Abnutzung

AG

Arbeitgeber

AGEB

Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

BGA

Betriebs- und Geschäftsausstattung

BImSchG

Bundesimmissionsschutzgesetz

BImSchV

Bundesimmissionsschutzverordnung

BiomasseV

Biomasseverordnung

BMELV

Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und

Verbraucherschutz

BMU

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicher-

heit

EE

Erneuerbare Energien

EEG

Erneuerbare-Energien-Gesetz

EEV

Endenergieverbrauch

EFH

Einfamilienhäuser

ETG

Energetische Gesellschaft im VDE

EVU

Energieversorgungsunternehmen

EU

Europäische Union

GEMIS

Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme

GG

Grundgesetz

GuV

gewinn und Verlustrechnung

Hu

Heizwert

Ho

Brennwert

HHKW

Holzheizkraftwerk

HMULV

Hessisches Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft und Forsten

IW

Immissionswerte

KWK

Kraft-Wärme-Kopplung

MUNLV NRW

Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und

Verbraucherschutz des Landes Nordrhein

-

Westfalen

NawaRo

Nachwachsende Rohstoffe

PEV

Primärenergieverbrauch

TA

Technische Anleitung

V

---

UN

Unternehmen

UVP

Umweltverträglichkeitsprüfung

UVPG

Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung

UVS

Umweltverträglichkeitsstudie

VDE

Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik

VDI

Verband Deutscher Ingenieure

ZWS

Zirkulierende Wirbelschicht

VI

---

1.

Einführung

Im Verlauf der letzten 20 Jahre hat sich der Primär- und Endenergieverbrauch auf der

Gebietsfläche von Deutschland auf einem relativ hohen Niveau annähernd stabilisiert,

bedingt durch den hohen Lebensstandard der heutigen Gesellschaft. Der Energiever-

brauch wird gegenwärtig zum überwiegenden Teil durch fossile Energieträger abge-

deckt (Kohle, Gas, Öl). Eine Studie der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen stellte

fest, dass die Spitzenstellung nach wie vor das Mineralöl einnimmt, welches seinen

Anteil am Primärenergieverbrauch zwischen 1990 und 2008 relativ stabil gehalten hat

und im Jahr 2008 einen Anteil von 34,8 % aufwies. Sowohl das Erdgas als auch das

Erdölgas hat seinen Anteil von 15,4 % auf 22,1 % gesteigert. Braunkohle wurde mas-

siv um 21,5 % auf 11,1 % zurückgefahren. Die Steinkohle hingegen hat nur kleine Ein-

bußen im Primärenergieverbrauch erlitten, ihr Anteil sank von 15,5 % auf 13,1 %.1 Die

Nutzung der fossilen Energieträger ist aber, abgesehen von dem entsprechenden Res-

sourcen

-

Verzehr, mit einer Reihe negativer Umweltfolgen verbunden, die im Sinne

einer richtig verstanden Umwelt und der Berücksichtigung unserer Generation und der

darauffolgenden weniger toleriert werden kann. Die Menschheit sieht sich großen Um-

weltproblemen gegenüber, wenn sie weiterhin auf den fossilen Brennstoffen beharrt.

Dies gilt nicht nur im Hinblick auf den durch die energiebedingten Kohlendioxid- und

Methanemissionen hervorgerufenen Treibhauseffekt, sondern auch für Umweltschäden

wie Boden- und Gewässerverunreinigungen (z.B. infolge von kaputten Pipelines oder

Tankerhavarien). Zur Errichtung einer nachhaltigen und klimaverträglichen Energiever-

sorgung kommt den Erneuerbaren Energien eine wachsende Bedeutung zu. Laut einer

Studie des Bundesministeriums für Umwelt (BMU) lag der Anteil der Erneuerbaren

Energien am Endenergieverbrauch im Jahr 2007 schon bei 9,8 % und hat sich seit 1998

um 6,7 % gesteigert.2 Der Schutz des Klimas und eine sichere Energieversorgung gehö-

ren zu den wichtigsten globalen Herausforderungen der Menschheit. Energieeinsparun-

gen und der Einsatz effizienter Technologien sind zentrale Strategien, um diese Heraus-

forderungen zu meistern. Setzt man sich mit den Erneuerbaren Energieträgern ausei-

nander, kommt man nicht umhin sich mit der wachsenden Bedeutung der Biomasse zur

Energiegewinnung zu beschäftigen, da sie die größten Primärressourcen in Deutschland

mit einem Anteil von 38 % im Bereich der regenerativen Energien im Jahr 2007 auf-

1

Vgl. AGEB, (2007)

2

Vgl. BMU, (2008c), S. 9.

1

---

wies.3 Durch die Liberalisierung des deutschen Strommarktes im Jahr 1998 wurde der

Wettbewerb unter den Energieversorgungsunternehmen (EVU) verschärft und Strom-

preissenkungen waren die Folge. Dieser Kostendruck zwingt die EVU zu einer ökono-

mischen Effektivität und Effizienz und somit auch zu einer Neugestaltung der Versor-

gungslandschaft. Zusätzlich wurde im Rahmen des Kyoto-Protokolls4 eine Senkung der

Treibhausgasemissionen beschlossen.

Aus diesen Gründen beschäftigt sich die vorliegende Diplomarbeit mit einer ,,Feasibili-

ty Study" (Machbarkeitsstudie) eines dezentralen Holzheizkraftwerkes (HHKW) auf

Basis der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit einer Feuerungswärmeleistung von ca.

12 MW und Stromauskopplung von ca. 4,5 MW. Als Brennstoff sollen nur nachwach-

sende Rohstoffe zum Einsatz kommen. Spätestens seit Einführung des neuen Erneuer-

bare Energien Gesetz (EEG) im Jahr 2004 und den damit gewährten Bonuszahlungen,

ist die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung mit der Verbrennung von Holzresten,

Holzschnitzeln oder Altholz eine interessante Nutzungsmöglichkeit und hat viele Inves-

toren in den Bereich der Energiegewinnung durch feste Biomasse gelockt.

1.1

Zielstellung und Aufbau

Es ist das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit einen Überblick über die Vorzüge der

Erneuerbaren Energien, speziell der nachwachsenden Rohstoffe, zu erstellen und die

technischen Grundlagen der Verbrennung von naturbelassenem Holz mittels der KWK

zu erläutern und zu bewerten. Desweiteren sollen am Beispiel des zu planenden HHKW

die komplexen Planungs- und Realisierungsphasen einer solchen Unternehmung mit

speziellen Hilfestellungen erläutert und dargestellt werden, um einen Überblick über die

wichtigsten Aspekte der Planung zu erstellen. Im Einzelnen werden die technologischen

Anlagenbestandteile sowie die Dimensionierung des HHKW aufgezeigt und erläutert.

Mit Hilfe einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Lukrativität der Investition

3

Vgl. BMU, (2008b), S. 13.

4

Zur Klimarahmenkonvention 1997 in Kyoto wurde das

Kyoto-Protokoll

abgeschlossen. In ihm wur-

den erstmals rechtsverbindliche Begrenzungen und Reduktionsverpflichtungen verabschiedet. Die In-

dustrieländer verpflichteten sich demnach die sechs festgelegten Treibhausgase um 5 % im Zeitraum

von 2008 bis 2012 gegenüber dem Niveau von 1990 zu reduzieren. Die Europäische Union (EU) hat

sich eine Minderung von 8 % zum Ziel gesetzt. Im Rahmen der EU-internen Lastenteilung hat sich

Deutschland zur Senkung von 21 % der sechs Treibhausgase verpflichte (Schrader, K. / Hartmann, M.

/ Krzikalla, N. (2004), S. 432.).

2

---

nachgewiesen. Darauf folgt ein Ausblick auf das bevorstehende Genehmigungsverfah-

ren des HHKW, damit das komplexe, zumeist wenig transparente Netz der staatlichen

Regelwerke im Umweltschutz für einen Planer sich übersichtlicher dargestellt. Der

Aufbau der Diplomarbeit besteht aus sieben Kapiteln, wobei die Kapitel:

- Planung und Realisierung eines Holzheizkraftwerkes auf Basis Kraft-Wärme-

Kopplung (Kapitel 3),

- Technologieauswahl (Kapitel 4),

- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes (Kapitel 5) und

- das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes (Kapitel 6)

die Schwerpunkte der Diplomarbeit markieren. Die ersten zwei Kapitel dienen zur nähe-

ren Erläuterung der Thematik Erneuerbarer Energien, ihre Entwicklung, Nutzung, Be-

wertung und Bedeutung. Desweiteren wird ein besonderes Augenmerk auf das Gebiet

der Biomasse gelegt, vor allem auf die der nachwachsenden Rohstoffe. Die Technologie

der KWK wird näher betrachtet und im ökologischen, energetischen und wirtschaftli-

chen Sinne beurteilt. Anschließend wird auf die rechtlichen Rahmenbedingungen ge-

nauer eingegangen, wobei hier insbesondere interessiert, welche Vorschriften vorhan-

den sind und welche spezielle Wirkung sie besitzen. Die methodischen Hilfestellungen

und die Durchführung der Planung und Realisierung des HHKW bilden den ersten

Schwerpunkt der Diplomarbeit. Hier wird eine Übersicht über die wichtigsten Aspekte

der Planung erstellt. Der zweite Schwerpunkt beinhaltet die genaue Auswahl und Di-

mensionierung der technologischen Anlagenbestandteile mit ihren Auswahlkriterien.

Darauf folgend wird auf bevorstehende Emissionen und ihre Grenzwerte eingegangen.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Holzheizkraftwerkes beinhaltet den dritten

Schwerpunkt der Diplomarbeit. In diesem Kapitel wird mit verschiedenen betriebswirt-

schaftlichen Methoden die Wirtschaftlichkeit der Investition nachgewiesen. Das sechste

Kapitel (,,Das Genehmigungsverfahren des Holzheizkraftwerkes") markiert den letzten

Schwerpunkt und beinhaltet einen detaillierten Ausblick auf das zu erwartende Geneh-

migungsverfahren nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz. Im letzten Kapitel werden

nochmals alle wichtigen Erkenntnisse aufgezeigt und anschließend ein Fazit der erarbei-

teten Ergebnisse dargelegt.

3

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