Vergleich eines Blockheizkraftwerkes mit Spitzenlastkessel zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Heizzentrale mit zwei Gasbrennwertkesseln

1 Inhaltsverzeichnis

2 Abkürzungsverzeichnis

3 Vorbemerkung und Hinweise

4 Projektdarstellung

5 Fördermöglichkeiten

6 Technische Analysen
6.1 Nahwärmeversorgung
6.2 Brennwerttechnik
6.3 BHKW - Kraft-Wärme-Kopplung

7 Auslegung der Anlagen / Wahl der Geräte
7.1 Kesselgrößen Heizzentrale
7.2 Größe BHKW und Spitzenlastkessel
7.3 Auswahl der Wärmeerzeuger

8 Investitionsrechnung
8.1 Bereinigte Anschaffungskosten
8.2 Statisches Verfahren
8.2.1 Gewinnvergleichsrechnung
8.2.2 Gewinnvergleichsrechnung Kesselanlage
8.2.3 Gewinnvergleichsrechnung BHKW
8.2.4 Vergleich Kapitaleinsatz
8.2.5 Vergleich Aufwendungen und Einnahmen
8.2.6 Vergleich Jahresergebnisse
8.2.7 Kennzahlenvergleich
8.3 Dynamisches Verfahren
8.3.1 Ermittlung der Kapitalwerte
8.3.2 Dynamische Amortisationsrechnung

9 Fazit und Entscheidung

10 Anhang...
10.1 Bilderverzeichnis und weitere Bilder..
10.2 Literatur und Anmerkungen.
10.3 Nebenrechnungen und Hinweise zur Berechnung..
10. 4 Sonstige Unterlagen..

2 Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Vorbemerkung und Hinweise

Bei dem auf den folgenden n dargestellten und analysierten Projekt, handelt es sich um ein rein fiktives Projekt

Es hat in dieser Form einen absoluten Praxisbezug. Die Zahlen zur Berechnung, welche durch Firmen zur Verfügung gestellt wurden entsprechen in großen Teil der betrieblichen Praxis.

Ich möchte trotzdem, auch im Namen der Unternehmen, welche mich mit technischen Daten und Angebotspreisen freundlicher Weiße unterstützt haben, nicht um Weitergabe oder Veröffentlichung dieser Projektarbeit bitten. Dies gilt besonders für die von mir eingeholten Preise aus Angeboten. Das Unternehmen welche mir diese zur Verfügung gestellt hat möchte hier nicht genannt werden. Diese Angebote sowie andere im Rahmen dieser Untersuchung wichtige Dokumente finden sich im Anhang.

4 Projektdarstellung

Die Hausbau Heim GmbH plant und errichtet als Bauträger Ein- und Mehrfamilienhäuser und Gewerbeobjekte. In 95326 Kulmbach wird ein Neubaugebiet mit mehreren zu errichteten Ein- und Mehrfamilienhäusern geplant. Die komplette Siedlung soll durch die Hausbau Heim GmbH errichtet werden. Dazu gehört auch die notwendige Infrastruktur mit den entsprechenden Ver- und Entsorgungssystemen. In diesem Rahmen soll die Siedlung und ein an das Neubaugebiet angrenzendes kleines Gewerbegebiet mit Nahwärme versorgt werden. Die Wärme soll zentral in einer Heizzentrale erzeugt werden. Als Energieträger kommt Erdgas zum Einsatz. Der Betreiber dieser Anlage wird die Hausbau Heim GmbH sein. Neben dem Betreiben der Anlage wird sich das Unternehmen um die Lieferung der Wärme an die einzelnen Verbraucher, die Kontrolle der Anlagen und die Abrechnung der an die Verbraucher abgegebenen Wärmemengen kümmern.

Für die Wärmeerzeugung wird im Rahmen dieses Projekt auf die Nutzungsdauer von 15 Jahre das wirtschaftlichste Konzept gesucht.

Es soll aus zwei Varianten gewählt werden:

Variante 1): Heizzentrale mit zwei Gasbrennwertkesseln

Variante 2): BHKW mit Spitzenlastkessel wobei die erzeugte elektrische Energie ins Netz des EVU eingespeist und entsprechend vergütet wird

Das Projekt soll zum Teil aus Eigen- und Fremdkapital finanziert werden wobei der Anteil an

Eigenkapital 100000 € beträgt.

Eine entsprechende Verzinsung des eingesetzten Eigenkapitals von mindestes 7 % soll mindestens erreicht werden.(¹ )

Die Fremdfinanzierung erfolgt durch ein zinsgünstiges Darlehen der Kreditanstalt für Wiederaufbau.(² )

5 Fördermöglichkeiten

Die Bundesregierung hat in den letzten Jahren verschiedene Förderprogramme auf den

Markt gebracht, Geldmittel für Investitionen bereitgestellt, um die Wirtschaft zu fördern und entsprechende Gesetz im Rahmen der Umweltpolitik verabschiedet. Im Rahmen des Projektes sollen auch diese Förderungen genutzt werden, da diese die Kosten reduzieren und die entsprechenden Ergebnisse positiv beeinflussen.

Förderprogramme der Kreditanstalt für Wiederaufbau KfW:

- Sonderprogramm für mittelständische Unternehmen(¹ )

Unternehmenskredit zur Finanzierung von Vorhaben in Deutschland für Unternehmen des Mittelstandes.

Förderprogramme des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA:

- Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz 2009(² )

1.) Einspeisevergütung für Strom aus KWK- Anlagen

2.) Wärmenetzförderung

Förderung durch das Bundesministerium der Finanzen/Zoll:

- Mineralölsteuergesetz
- Energiesteuergesetz(³ )

Nach Energiesteuergesetz sind Anlagen zur gekoppelten Erzeugung von Wärme und Strom von der Energiesteuer befreit. Die Befreiung gilt auch für eventuell notwendige unterstützende Wärmeerzeugungselemente.

Die Mineralölsteuer wird auf Antrag einmal jährlich vom zuständigen Hauptzollamt zurück erstattet.

6 Technische Analysen

Neben der wirtschaftlichen Analyse soll im Vorfeld auch die technische Durchführbarkeit untersucht werden.

Weiterhin soll hier kurz auf die Verteilung der Wärme mittels Nahwärmeversorgungsnetz und die beiden unterschiedlichen Techniken zur Wärmeerzeugung eingegangen werden.

6.1 Nahwärmeversorgung

Die Versorgung der einzelnen Gebäude erfolgt über ein Nahwärmenetz, durch welches die zentral erzeugte Wärme an die einzelnen Verbraucher geschickt wird. Die einzelnen Abnehmer entnehmen dann, je nach ihrem Verbrauch, die benötigte Wärme aus dem Verteilnetz. Diese Art der Wärmeversorgung ist weit verbreitet und sicher. Sie hat vor allem auch für den Endverbraucher erhebliche Vorteile, so gewinnt er, da kein Heizkessel oder ein Lagerraum für Brennstoffe mehr benötigt wird zusätzlichen Wohnraum. Um Brennstofflieferungen muss sich der Endabnehmer nicht kümmern, da ihm die Wärme aus dem Nahwärmenetz jederzeit zur Verfügung steht.

Die Versorgung mit Nahwärme hat keine Nachteile für den Endverbraucher und trägt zu einer Steigerung des Komforts bei, denn alles Wesentliche wird vom Wärmeerzeuger/ - lieferanten übernommen.

6.2 Brennwerttechnik

Bei der Brennwerttechnik wird nicht nur die Wärme, welche als Temperatur der Heizgase bei der Verbrennung eines Brennstoffes entsteht, sondern auch zusätzlich der Wasserdampfgehalt der Heizgase genutzt. Ein Brennwertkessel ist in der Lage, die im Abgas enthaltene Restwärme und somit diese Wärmeenergie zusätzlich zu nutzen. Dies geschieht durch Abkühlung und Kondensation der Abgase. Dadurch wird die im Abgas enthaltene Restwärme zum größten Teil in Heizwärme umgesetzt und genutzt. Ein Brennwertkessel verfügt über einen Hochleistungswärmetauscher, welcher die Abgase bevor diese durch den Schornstein entweichen soweit abkühlen, dass der in Ihnen enthaltenen Wasserdampf gezielt kondensiert und die freigesetzte Kondensationswärme zusätzlich auf das Heizsystem übertragen wird.

Schema Brennwertnutzung(B[1]:

Durch diese Technologie erreicht ein Gasbrennwertkessel einen Nutzungsgrad nach Norm von bis zu 109%([1])(B⁴ ). Brennwertkessel arbeiten dadurch besonders energiesparend und wirtschaftlich. Erdgas als Energieträger eignet sich besonders für die Brennwertnutzung da durch die chemische Zusammensetzung der Wasserstoffanteil (H-Anteil) höher ist als bei anderen Brennstoffen.

6.3 BHKW - Kraft-Wärme-Kopplung

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht im Wesentlichen aus Motor, Synchrongenerator und Wärmetauscher. Der Motor (Arbeitsmaschine) treibt den Synchrongenerator (Kraftmaschine) an. Der Synchrongenerator erzeugt Strom, der selbst genutzt oder ins Netz des EVU eingespeist und vergütet wird. Der Motor gibt bei Betrieb Wärme ab welche im inneren Kreislauf des BHKW über einen Wärmetauscher an das Heizsystem abgegeben wird. Dieses System der Energieerzeugung und -nutzung nennt man Kraft-Wärme-Kopplung weil gleichzeitig die erzeugte Wärme der Antriebsmaschine und die vom Generator erzeugte elektrische Energie genutzt wird.

Das BHKW deckt nur den Grundlastbedarf der für die Versorgung des Objektes benötigten Wärmeleistung ab. Deshalb ist zusätzlich zu einem BHKW ein Heizkessel zur Abdeckung des Spitzenbedarfs notwendig. Dieser Kessel wird modulierend gefahren, dass heißt, das nicht ständig die volle Heizleistung erbracht werden muss sondern bedarfsgerecht nur soviel, um die momentane Anforderung abzudecken und das BHKW zu unterstützen.

Anlagenschema BHKW mit Spitzenlastkessel(B[2]):

7 Auslegung der Anlagen

Die Grundlage zur Dimensionierung der jeweiligen Wärmeerzeuger ist die vorherige Berechnung der Heizlast der zu versorgenden Objekte nach DIN 12831([1]). Auf diese Berechnung wird verzichtet da diese hier zu umfangreich wäre. Die Auskühlverluste der Nahwärmeverteilung und ein entsprechender Zuschlag für die Trinkwassererwärmung wurden bereits berücksichtigt und es ergibt sich eine kumulierte Heizlast von 930 kW nach Fertigstellung des gesamten Nahwärmeversorgungsnetzes. Für die weiteren Berechnungen und die Auslegung der Wärmeerzeuger wird von einer Normheizlast QN = 1000 kW ausgegangen.

Bei beiden Varianten der Wärmeerzeugeranlagen kommen immer zwei Wärmeerzeuger zum Einsatz. Bei der Heizzentrale ein Gasbrennwertkessel für die Grundlast und ein zweiter für die Spitzenlast. Bei der BHKW- Anlage dient das BHKW zur Deckung der Grundlast und ein zusätzlicher Gasbrennwertkessel zur Abdeckung der Spitzenlast.

Die Ermittlung der Grundlast dient zur Auslegung des Gasbrennwertkessels der Heizzentrale sowie zur Ermittlung der Größe des BHKW.

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7.1 Auslegung Kesselgrößen Heizzentrale

Für die Größe des jeweiligen Kessels wird ein Deckungsverhältnis an der Normheizlast QN

von 40/60 oder 50/50 in der Praxis empfohlen([2]). Die Kesselgrößen werden nach Regel 40/60 festgelegt.

- Als Grundlastkessel Gasbrennwertkessel mit 400 kW Heizleistung
- Als Spitzenlastkessel Gasbrennwertkessel mit 600 kW Heizleistung

7.2 Auslegung BHKW und Spitzenlastkessel

Die Auslegung des BHKW muss so erfolgen, dass die erzeugte Wärme voll genutzt werden kann und eine möglichst lange Laufzeit pro Jahr erreicht wird.

Das BHKW wird zur Deckung der Grundlast eingesetzt. Um die optimale und die wirtschaftlich günstigste Größe zu ermitteln benötigt man die geordnete Jahresdauerlinie des zu versorgenden Objektes. Die geordnete Jahresdauerlinie zeigt graphisch die vom Wärmeerzeuger pro Jahr zu erbringende Wärmeleistung und die Vollbenutzungsstunden der Wärmeerzeuger. Diese wurde mit Hilfe einer Software ermittelt.

Auf Grundlage der Objektdaten und den für den Standort Kulmbach ermittelten Gradtagszahlen ergibt sich folgende geordnete Jahresdauerlinie und weitere für die Größe des BHKW wichtige Parameter.

Die obige Grafik zeigt, die geordnete Jahresdauerlinie, welche für die Objekte ermittelt wurde. Wie aus der Grafik ersichtlich ist ein ständiger Grundlastbedarf für Warmwasserbereitung und Heizung das ganze Jahr hindurch vorhanden. Der ständige Grundlastbedarf liegt bei ca. 20 % der gesamten Heizleistung.

Dies bedeutet:

- Das BHKW arbeitet somit am wirtschaftlichsten bei einer thermischen Leistung von ca. 200 kW (20% von der Normheizlast QN 1000 kW) und hat dabei eine hohe Laufzeit von ca. 8000 h/a.
- Eine möglichst hohe Laufzeit pro Jahr bedeutet auch, eine große Menge an erzeugter el. Energie, welche durch den EVU abgenommen und vergütet wird.
- Der Spitzenlastkessel muss die restlichen 800 kW an Heizleistung abdecken.

Als Hersteller und Lieferant der drei Gasbrennwertkessel und des BHKW wurde die Firma Buderus Heiztechnik ausgewählt. Die Buderus Heiztechnik ist als Innovativer Hersteller von Produkten der Heizungstechnik in ganz Europa bekannt und verfügt auch über die langjährige Erfahrung vor allem im Großkessel und BHKW Bereich. Ein weiteres Kriterium für die Wahl als Lieferant war, dass eine Niederlassung des Anlagenherstellers in unmittelbarer Nähe des zu errichtenden Objektes liegt. Dies gewährleistet eine schnelle Reaktion bei eventuell auftretenden Störungen und geringe Kosten für An- und Abfahrtpauschalen bei Wartungsarbeiten.

7.3 Auswahl der Wärmeerzeuger

Die Auswahl der Brennwertkessel und des BHKW für beide Anlagenvarianten erfolgt mit entsprechenden Planungsunterlagen des Herstellers(³ ). Da es im Lieferprogramm des Herstellers keine Kessel bzw. BHKW gibt welche genau die errechnete und gewählte thermische Leistung haben werden entsprechende Geräte gewählt, welche nahe bei dem entsprechendem Leistungsbereich liegen.

Für die Kesselanlage wurde gewählt:

- Buderus Gasbrennwertkessel Logano Plus mit Heizleistung 400 kW
- Buderus Gasbrennwertkessel Logano Plus mit Heizleistung 640 kW

(Bild B5)

Für die BHKW- Anlage wurde gewählt:

- BHKW Komplettmodul Loganova mit Wärmeleistung 212 kW
- Buderus Gasbrennwertkessel Logano Plus mit Heizleistung 790 kW

(Bild B6)

Zur weiteren Berechnung und Analyse wurden an verschiedenen Unternehmen im Rahmen einer beschränkten Ausschreibung Leistungsverzeichnisse für die Wärmeerzeugeranlagen mit den ausgewählten Geräten, den dafür nötigen Zubehör, dem Nahwärmeversorgungsnetz und der Installation der Anlagen versand und die jeweiligen Unternehmen zur Abgabe eines Angebotes aufgefordert. Die Auswahl der zur Abgabe eines Angebotes aufgeforderten Firmen erfolgte im Vorfeld nach dem Grundsatz nur fachkundige, leistungsfähige und zuverlässige Unternehmen zur Abgabe eines Angebotes aufzufordern(⁴ ). Nach Prüfung und Wertung der Angebote wurde sowohl für die Kesselanlage als auch für das BHKW das wirtschaftlichste Angebot mit folgenden Angebotspreisen eingereicht(⁵ ):

- Kesselanlage: 395784,99 €
- BHKW- Anlage: 454029,47 €

Diese Zahlen dienen als Grundlage für die weiteren Berechnungen.

Die Abrechnung der Bauarbeiten erfolgt wird später in Abschlagszahlungen und nach Beendigung der jeweiligen Bauabschnitte mit einer Endabrechnung erfolgen. Die mit diesen Forderungen eingeräumten Zahlungsziele und Skontovereinbarungen sollen später voll genutzt werden, da dadurch nochmals Kosten eingespart werden können. Dies wird aber im Rahmen dieser Untersuchung nicht berücksichtigt.

8 Investitionsrechnungen

Die Wirtschaftlichkeit und die Rentabilität der beiden Investitionsalternativen werden mit Hilfe der statischen und der dynamischen Methode untersucht. Dadurch kann auf die vorgesehene Nutzungsdauer von 15 Jahren, die Anlage ausgewählt werden, welche am wirtschaftlichsten / rentabelsten ist.

8.1 Bereinigte Anschaffungskosten

Nach KWK- Gesetz 2009(¹ ) gibt es für die Errichtung eines Nahwärmenetzes eine Förderung. Die Höhe dieser Förderung richtet sich nach der Größe des jeweiligen Nahwärmenetzes und der dabei verlegten Rohrdimensionen. Da die zu errichtende Anlage den Kriterien für eine Förderung entspricht und somit förderfähig ist, soll diese Förderung auch voll in Anspruch genommen werden. Diese Förderung wird als Einmalzahlung gewährt und wird bei der Berechnung berücksichtigt. Die Förderung wird mit dem Anschaffungspreis der beiden Anlagen verrechnet.

Die Anschaffungskosten mindern sich deshalb wie folgt:

Höhe der Förderung(I): 139.109,00 €

Angebotspreis Kesselanlage: 395.784,99 €

- abzüglich Wärmenetzförderung 139.109,00 €

Anschaffungskosten Kesselanlage: 256.675,99 €

Angebotspreis BHKW- Anlage: 454.029,47 €

- abzüglich Wärmenetzförderung: 139.109,00 €

Anschaffungskosten BHKW- Anlage 314.920,47 €

8.2 Statisches Verfahren

8.2.1 Gewinnvergleichsrechnung:

Zur Entscheidungsfindung wird für beide Anlagen eine Gewinnvergleichsrechnung durchgeführt. Der Betrachtungszeitraum beträgt hier ein Jahr.

8.2.2 Gewinnvergleichsrechnung Kesselanlage(II):

Kesselanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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