FACHHOCHSCHULE AACHEN
Abt. Jülich

Fachbereich Maschinenbau
Fachgebiet
Energie- und Umweltschutztechnik

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades

"Diplomingenieur-Maschinenbau"

Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau,
ökonomische-, energetische- und ökologische Analysen

Jülich, im September 1997

Diplomand : Rainer Valtwies

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung ... 1

II. Objektvorstellung ... 3

III. BHKW-Technik ... 4

1. Entwicklung der BHKW-Technik ... 4

2. Grundlagen der BHKW-Technik ... 5
2.1. Begriffsdefinition ... 5
2.2. Verbrennungsmotoren ... 6
2.2.1. Gas-Ottomotor ... 6
2.2.2. Dieselmotor ... 8
2.2.3. Diesel-Gasmotor ... 9
2.2.4. Vor- und Nachteile der Verbrennungsmotoren ... 9
2.2.4.1. Gasmotor ... 9
2.2.4.2. Dieselmotor ... 10
2.3. Brennstoffe ... 10
2.3.1. Brennstoffe für Gasmotoren ... 10
2.3.2. Flüssige Brennstoffe für Dieselmotoren ... 10
2.4. Stromerzeugung ... 11
2.4.1. Der Synchrongenerator ... 11
2.4.2. Der Asynchrongenerator ... 11
2.4.3. Schutzeinrichtungen ... 12
2.5. Wärmeübertragung ... 12
2.5.1. Kühlwasserwärmetauscher ... 12
2.5.2. Abgaswärmetauscher ... 13
2.5.3. Abhitzekessel ... 13
2.6. Spitzenkessel ... 14
2.7. Abgasanlage ... 14
2.8. Steuer- und Regeleinrichtung ... 15
2.8.1. Modulleitsystem ... 15
2.8.2. Zentralleitsystem ... 15
2.9. Wärmespeicher ... 16
2.10. Elektrische Einbindung an das öffentliche Netz ... 17
2.11. Typische Einsatzgebiete von BHKW’s ... 17

IV. Energie- und Emissionsbilanzen ... 18

1. Einleitung ... 18

2. Energieverbrauch und Umweltbelastung ... 19

3. Primärenergieeinsparung durch BHKW-Technik ... 21

4. Vorschriften zur Reinhaltung der Umwelt ... 22
4.1. Das BundesImmissionsSchutzGesetz (BImSchG) ... 22
4.2. Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA-Lärm) ... 24
4.2.1. Schallschutzmaßnahmen ... 25
4.3. Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) ... 25

5. Maßnahmen zur Schadstoff-Emissionsminderung ... 27
5.1. Allgemein ... 27
5.2. Abgareinigungssysteme mit Katalysator ... 28
5.2.1. Lambda-1-Betrieb mit Drei-Wege-Katalysatoren ... 28
5.2.2. Lambda >1 Betrieb mit NH3-Einsatz und Oxidationskataly ... 30
5.2.3. Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren ... 31
5.3. Einsatz eines Magermischmotors ... 32
5.4. Resümee ... 32

V. Gebäudewärmebedarf ... 33

1. Normwärmebedarf nach DIN 4701 ... 33
1.1. Transmissionswärmebedarf ... 33
1.2. Lüftungswärmebedarf ... 34

2. Berechnung des Gebäudewärmebedarfs ... 35

VI. Bilanzierung des Strombedarfs ... 37

1. Einführung ... 37

2. Erfassung des Strombedarfs ... 37
2.1. Beschreibung des MES-3D-Gerates ... 37
2.2. Auswertung der Messergebnisse ... 38
2.2.1. Typischer Stromverbrauch einer Woche ... 40
2.3. Stromverbrauch ... 44

VII. Kleinst- Motorheizkraft ... 45

1. Das Senertec-Sachs BHKW ... 45

2. Erfahrungen und Ergebnisse des Feldversuchstestes in Schleswig-Holstein ... 45

VIII. Planungsdaten ... 46

1. Auslegung des BHKW ... 46

2. Zeitlicher Verlauf von Wärme- und Strombedarf ... 46

IX. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ... 57

1. Allgemeines ... 57
1.1. Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit eines BHKW`s ... 57

2. Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 58
2.1. Methodik ... 58
2.2. Statischer Rechensatz ... 59
2.3. Dynamischer Rechensatz ... 59
2.4. Annuitätenmodell ... 59
2.5. Jahreskosten einer BHKW-Anlage ... 59
2.5.1. Kapitalgebundenen Kosten ... 60
2.5.2. Verbrauchsgebundenen Kosten ... 60
2.5.3. Betriebsgebundenen Kosten ... 60
2.5.4. Wärme- und Stromgutschrift ... 60

3. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (wärmeorientiert) ... 62
3.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 62
3.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 62
3.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 62
3.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 63
3.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) ... 63
3.3. Berechnung der Annuität (An) ... 63
3.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 64
3.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 65
3.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 65
3.5.2. Personalkosten (PK) ... 65
3.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 65
3.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 65
3.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 66
3.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 66
3.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 66
3.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 66
3.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 67
3.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 67
3.14. Amortisationszeit ... 67

4. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (stromorientiert) ... 68
4.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 68
4.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 68
4.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 68
4.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 69
4.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) ... 69
4.3. Berechnung der Annuität (An) ... 69
4.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 70
4.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 71
4.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 71
4.5.2. Personalkosten (PK) ... 71
4.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 71
4.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 71
4.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 72
4.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 72
4.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 72
4.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 72
4.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 73
4.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 73
4.14. Amortisationszeit ... 73

5. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (HT-Fahrweise) ... 74
5.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 74
5.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 74
5.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 74
5.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 75
5.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) ... 75
5.3. Berechnung der Annuität (An) ... 75
5.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 76
5.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 77
5.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 77
5.5.2. Personalkosten (PK) ... 77
5.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 77
5.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 77
5.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 78
5.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 78
5.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 78
5.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 78
5.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 79
5.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 79
5.14. Amortisationszeit ... 79

6. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (wärmeorientiert) ... 80
6.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 80
6.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 80
6.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 80
6.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 81
6.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) ... 81
6.3. Berechnung der Annuität (An) ... 81
6.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 82
6.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 83
6.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 83
6.5.2. Personalkosten (PK) ... 83
6.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 83
6.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 83
6.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 84
6.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 84
6.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 84
6.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 84
6.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 85
6.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 85
6.14. Amortisationszeit ... 85

7. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (stromorientiert) ... 86
7.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 86
7.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 86
7.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 86
7.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 87
7.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) 87
7.3. Berechnung der Annuität (An) ... 87
7.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 88
7.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 89
7.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 89
7.5.2. Personalkosten (PK) ... 89
7.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 89
7.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 89
7.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 90
7.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 90
7.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 90
7.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 90
7.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 91
7.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 91
7.14. Amortisationszeit ... 91

8. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (HT-Fahrweise) ... 92
8.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung ... 92
8.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung ... 92
8.1.2. Kosten für Vollstrombezug ... 92
8.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) ... 93
8.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK) ... 93
8.3. Berechnung der Annuität (An) ... 93
8.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) ... 94
8.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK) ... 95
8.5.1. Instandhaltungskosten (IK) ... 95
8.5.2. Personalkosten (PK) ... 95
8.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK) ... 95
8.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE) ... 95
8.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG) ... 96
8.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ) ... 96
8.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW) ... 96
8.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW) ... 96
8.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW) ... 97
8.13. Einsparung pro Jahr (EPJ) ... 97
8.14. Amortisationszeit ... 97

9. Sensitivitätsanalyse ... 98
9.1. Investitionskosten ... 98
9.2. Wartungskosten ... 98
9.3. Brennstoffkosten ... 98
9.4. Strompreis ... 98
9.5. Stromvergütung ... 98
9.6. Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse ... 99

10. Diskussion der Ergebnisse ... 104

X. Umweltbilanz ... 107

1. Primärenergieverbrauch ... 107
1.1. Primärenergieverbrauch bei konventioneller Energiebereitstellung ... 107
1.2. Primärenergieverbrauch bei der BHKW-Anlage ... 107
1.3. Vergleich des Primärenergieverbrauchs ... 108

2. Emissionen ... 108
2.1. Emissionssituation beim Kondensationskraftw. und der Kesselanlage ... 108
2.2. Emissionen der BHKW-Anlage ... 109
2.3. Emissionsvergleich ... 109

XI. Zusammenfassung ... 112

XII. Literaturverzeichnis ... 113

XIII. Verzeichnis der Bilder ... 114

XIV. Tabellen- und Diagrammverzeichnis ... 117

XV. Anhang ... 118

1 Einleitung

In einem Industriestaat, wie die Bundesrepublik Deutschland, ist eine innovative Energie-
wirtschaft (d.h. rationelle Energienutzung ) für eine positive wirtschaftliche Entwicklung von großer Bedeutung. Ziel der Energiepolitik sollte eine sichere, ausreichende, preiswerte und umweltfreundliche Energieversorgung der Endabnehmer sein.
Daneben hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger und der Kernbrennstoffe sowie der weltweit wachsende Energie-
bedarf uns dazu zwingen, mit dem Wirtschaftsgut „Energie“ noch sparsamer umzugehen.

!! Abbildung 1.1 ist im PDF-Dokument enthalten !!

Bild 1.1:Weltweite Energienachfrage nach einer logischen Funktion extrapoliert dargestellt

In vielen Bereichen der Energieanwendung konnten bereits beachtliche Einsparungen durch die Forschung und die Modernisierung von energiesparenden Technologien, wie z.B. Wärmerückgewinnungssysteme, Abwärmenutzung, sowie durch einen vermehrten Fernwärmeausbau erreicht werden. Doch auch weiterhin bietet sich hier ein beachtliches Potential zur Schonung der Reserven.

Neben dem ökonomischen Aspekt, hat die ökologische Komponente der Energieeinsparung zunehmendes Gewicht gewonnen. Ein geringerer Energieverbrauch bedeutet gleichzeitig weniger Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen.
Insbesondere die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) müssen in den nächsten Jahrzehnten drastisch reduziert werden, damit einer drohenden Klimaveränderung der Erde entgegen gewirkt werden kann.

In diesem Zusammenhang gewinnt die dezentrale Energieerzeugung auf der Basis der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), hier im speziellen Blockheizkraftwerk(BHKW), zunehmend an Bedeutung. Hierbei wird die nutzbare Wärme (Abgas, Kühlwasser, Schmieröl) zur Wärme- oder auch zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt, und so der Gesamtwirkungsgrad erhöht. Dadurch können die Energiekosten und die Schadstoffemissionen pro erzeugter Energieeinheit beträchtlich gesenkt werden. Auf Grund dieser Vorteile sind allein in Deutschland heute schon BHKW-Anlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von über 4,6 GW installiert

Je nach Erfordernis kann sich die Planung eines BHKW’s an dem Wärme- oder Strombedarf orientieren, wobei die Auslegung immer eine wirtschaftliche Abgabe von Kraft und Wärme bei größtmöglicher Eigennutzung in den Vordergrund stellen sollte.

In dieser Diplomarbeit wird unter diesen Gesichtspunkten, der mögliche Einsatz eines Kleinst-BHKW’s für die Energieversorgung eines Fünffamilienhauses und eines Doppelfamilienhauses auf energetische, wirtschaftliche und ökologische Art hin, untersucht.

2 Aufgaben- und Objektvorstellung

Es galt zwei Mehrfamilienhäuser hinsichtlich der Energiesituation zu untersuchen, um damit eine energetische, ökonomische und ökologische Analyse eines Kleinst-BHKW im Wohnungsbau daran anzuschließen.
Das Fünffamilienhaus liegt in einem ruhigen Wohngebiet in Oberhausen-Sterkrade. Es umfasst 321 qm Wohnfläche bei 5 Wohneinheiten. Es wurde vor ungefähr 30 Jahren gebaut, dementsprechend war es zu dieser Zeit nicht so wichtig, Wohnhäuser gut zu isolieren. Dieses spiegelt sich im spezifischen Wärmebedarf von 81 W/m^2 wieder (Erlaubt sind nach neuer Wärmeschutzverordnung 1995 30 W/m^2).
Das Doppelfamilienhaus liegt auch in Oberhausen. Es beinhaltet 310 qm Wohnfläche bei 2 Wohneinheiten, wobei der niedrige Stromverbrauch daraus resultiert, dass in der einen Wohnung nur eine Person wohnt. In diesem Wohnhaus beträgt der spezifische Wärmebedarf 88 W/m^2. (Nähere Angaben über Größe und Anzahl der Räume siehe im Anhang).

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