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.
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.
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung
II. Objektvorstellung
III. BHKW-Technik
1. Entwicklung der BHKW-Technik
2. Grundlagen der BHKW-Technik
2.1. Begriffsdefinition
2.2. Verbrennungsmotoren
2.2.1. Gas-Ottomotor
2.2.2. Dieselmotor
2.2.3. Diesel-Gasmotor
2.2.4. Vor- und Nachteile der Verbrennungsmotoren
2.2.4.1. Gasmotor
2.2.4.2. Dieselmotor
2.3. Brennstoffe
2.3.1. Brennstoffe für Gasmotoren
2.3.2. Flüssige Brennstoffe für Dieselmotoren
2.4. Stromerzeugung
2.4.1. Der Synchrongenerator
2.4.2. Der Asynchrongenerator
2.4.3. Schutzeinrichtungen
2.5. Wärmeübertragung
2.5.1. Kühlwasserwärmetauscher
2.5.2. Abgaswärmetauscher
2.5.3. Abhitzekessel
2.6. Spitzenkessel
2.7. Abgasanlage
2.8. Steuer- und Regeleinrichtung
2.8.1. Modulleitsystem
2.8.2. Zentralleitsystem
2.9. Wärmespeicher
2.10. Elektrische Einbindung an das öffentliche Netz
2.11. Typische Einsatzgebiete von BHKW’s
IV. Energie- und Emissionsbilanzen
1. Einleitung
2. Energieverbrauch und Umweltbelastung
3. Primärenergieeinsparung durch BHKW-Technik
4. Vorschriften zur Reinhaltung der Umwelt
4.1. Das BundesImmissionsSchutzGesetz (BImSchG)
4.2. Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA-Lärm)
4.2.1. Schallschutzmaßnahmen
4.3. Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft)
5. Maßnahmen zur Schadstoff-Emissionsminderung
5.1. Allgemein
5.2. Abgareinigungssysteme mit Katalysator
5.2.1. Lambda-1-Betrieb mit Drei-Wege-Katalysatoren
5.2.2. Lambda >1 Betrieb mit NH3-Einsatz und Oxidationskataly
5.2.3. Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren
5.3. Einsatz eines Magermischmotors
5.4. Resümee
V. Gebäudewärmebedarf
1. Normwärmebedarf nach DIN 4701
1.1. Transmissionswärmebedarf
1.2. Lüftungswärmebedarf
2. Berechnung des Gebäudewärmebedarfs
VI. Bilanzierung des Strombedarfs
1. Einführung
2. Erfassung des Strombedarfs
2.1. Beschreibung des MES-3D-Gerates
2.2. Auswertung der Messergebnisse
2.2.1. Typischer Stromverbrauch einer Woche
2.3. Stromverbrauch
VII. Kleinst- Motorheizkraft
1. Das Senertec-Sachs BHKW
2. Erfahrungen und Ergebnisse des Feldversuchstestes in Schleswig-Holstein
VIII. Planungsdaten
1. Auslegung des BHKW
2. Zeitlicher Verlauf von Wärme- und Strombedarf
IX. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
1. Allgemeines
1.1. Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit eines BHKW`s
2. Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
2.1. Methodik
2.2. Statischer Rechensatz
2.3. Dynamischer Rechensatz
2.4. Annuitätenmodell
2.5. Jahreskosten einer BHKW-Anlage
2.5.1. Kapitalgebundenen Kosten
2.5.2. Verbrauchsgebundenen Kosten
2.5.3. Betriebsgebundenen Kosten
2.5.4. Wärme- und Stromgutschrift
3. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (wärmeorientiert)
3.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
3.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
3.1.2. Kosten für Vollstrombezug
3.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
3.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
3.3. Berechnung der Annuität (An)
3.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
3.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
3.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
3.5.2. Personalkosten (PK)
3.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
3.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
3.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
3.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
3.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
3.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW)
3.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
3.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
3.14. Amortisationszeit
4. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (stromorientiert)
4.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
4.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
4.1.2. Kosten für Vollstrombezug
4.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
4.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
4.3. Berechnung der Annuität (An)
4.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
4.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
4.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
4.5.2. Personalkosten (PK)
4.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
4.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
4.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
4.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
4.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
4.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW)
4.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
4.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
4.14. Amortisationszeit
5. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (HT-Fahrweise)
5.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
5.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
5.1.2. Kosten für Vollstrombezug
5.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
5.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
5.3. Berechnung der Annuität (An)
5.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
5.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
5.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
5.5.2. Personalkosten (PK)
5.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
5.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
5.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
5.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
5.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
5.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW)
5.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
5.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
5.14. Amortisationszeit
6. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (wärmeorientiert)
6.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
6.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
6.1.2. Kosten für Vollstrombezug
6.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
6.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
6.3. Berechnung der Annuität (An)
6.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
6.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
6.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
6.5.2. Personalkosten (PK)
6.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
6.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
6.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
6.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
6.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
6.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW)
6.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
6.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
6.14. Amortisationszeit
7. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (stromorientiert)
7.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
7.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
7.1.2. Kosten für Vollstrombezug
7.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
7.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
7.3. Berechnung der Annuität (An)
7.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
7.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
7.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
7.5.2. Personalkosten (PK)
7.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
7.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
7.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
7.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
7.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
7.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW )
7.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
7.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
7.14. Amortisationszeit
8. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (HT-Fahrweise)
8.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
8.1.1. Kosten für Wärmebereitstellung
8.1.2. Kosten für Vollstrombezug
8.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK)
8.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
8.3. Berechnung der Annuität (An)
8.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK)
8.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
8.5.1. Instandhaltungskosten (IK)
8.5.2. Personalkosten (PK)
8.6. Kosten für Zusatzstrombezug (ZSK)
8.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
8.8. Berechnung der Wärmegutschrift (WG)
8.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
8.10. Stromgestehungskosten (SGKBHKW)
8.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW’s (spez. SGKBHKW)
8.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GKBHKW)
8.13. Einsparung pro Jahr (EPJ)
8.14. Amortisationszeit
9. Sensitivitätsanalyse
9.1. Investitionskosten
9.2. Wartungskosten
9.3. Brennstoffkosten
9.4. Strompreis
9.5. Stromvergütung
9.6. Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse
10. Diskussion der Ergebnisse
X. Umweltbilanz
1. Primärenergieverbrauch
1.1. Primärenergieverbrauch bei konventioneller Energiebereitstellung
1.2. Primärenergieverbrauch bei der BHKW-Anlage
1.3. Vergleich des Primärenergieverbrauchs
2. Emissionen
2.1. Emissionssituation beim Kondensationskraftw. und der Kesselanlage
2.2. Emissionen der BHKW-Anlage
2.3. Emissionsvergleich
XI. Zusammenfassung
XII. Literaturverzeichnis
XIII. Verzeichnis der Bilder
XIV. Tabellen- und Diagrammverzeichnis
XV. Anhang
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den potenziellen Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken (BHKW) im Wohnungsbau zur dezentralen Energieerzeugung. Ziel ist die Bewertung der energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen des Einsatzes von Kleinst-BHKW in einem Fünf- sowie einem Doppelfamilienhaus, um Möglichkeiten zur Primärenergieeinsparung und Emissionsminderung aufzuzeigen.
- Technologische Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung und BHKW-Systeme.
- Analyse des Energie- und Wärmebedarfs in Wohngebäuden basierend auf realen Messwerten.
- Wirtschaftlichkeitsberechnung verschiedener Fahrweisen (wärmeorientiert, stromorientiert, Hochtarif-Fahrweise).
- Umweltbilanzierung hinsichtlich Primärenergieverbrauch und Schadstoffemissionen im Vergleich zur konventionellen Energieversorgung.
- Sensitivitätsanalyse zur Prüfung der Stabilität der wirtschaftlichen Ergebnisse.
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Begriffsdefinition
Unter Blockheizkraftwerk versteht man eine mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebene Anlage, die unter Einsatz von Verbrennungsmaschinen bzw. Gasturbinen, mechanische Energie und diese mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie umwandeln, wobei die anfallende Motorkühlwasser- und Abgaswärme mit Hilfe von Wärmetauschern zu Heizzwecken genutzt wird. Des Weiteren gehört zu einer BHKW-Anlage, ein Heizkessel, der die Spitzenlastabdeckung wärmeseitig übernimmt, und falls nötig ein Wärmespeicher, um den tageszeitlichen, unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarf zu überbrücken.
Die Vorteile eines BHKW liegen in der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, wobei ein sehr hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird, in der relativ günstigen Emission, wenn emissionsreduzierende Maßnahmen (z.B. Kat,..) angewandt werden. Wirtschaftlich kann man mit dieser Art kostengünstiger Energie erzeugen, als bei der getrennten Energiebeschaffung, sofern Strom- und Wärmebedarf gleichzeitig vorhanden sind.
In dieser Diplomarbeit werden ausschließlich Motorheizkraftwerke (MHKW), d.h. BHKW’s mit Verbrennungsmotoren behandelt.
Im unteren Bild 2.2 sieht man das prinzipielle Anschlussschema eines MHKW mit Spitzenkessel und Wärmespeicher.
Zusammenfassung der Kapitel
I. Einleitung: Stellt die Bedeutung der rationellen Energienutzung und der Kraft-Wärme-Kopplung zur Bewältigung des weltweiten Energiebedarfs dar.
II. Objektvorstellung: Beschreibt die untersuchten Gebäude, ein Fünf- und ein Doppelfamilienhaus, sowie deren spezifische energetische Kenndaten.
III. BHKW-Technik: Erläutert die technischen Grundlagen von BHKW-Anlagen, Motortypen, Generatoren und Wärmeübertragungssystemen.
IV. Energie- und Emissionsbilanzen: Analysiert die ökologischen Auswirkungen des Energieverbrauchs und die Rolle von BHKW-Anlagen bei der Schadstoffminderung.
V. Gebäudewärmebedarf: Behandelt die methodische Berechnung des Wärmebedarfs nach DIN 4701 für die untersuchten Wohnhäuser.
VI. Bilanzierung des Strombedarfs: Dokumentiert die Erfassung und Auswertung von Stromverbrauchsdaten mittels Messsystemen.
VII. Kleinst- Motorheizkraft: Berichtet über praktische Erfahrungen und Feldtestergebnisse mit Mini-BHKW-Anlagen.
VIII. Planungsdaten: Definiert die Auslegungsparameter und den zeitlichen Verlauf von Wärme- und Strombedarf für die Analyse.
IX. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen: Führt detaillierte Wirtschaftlichkeitsberechnungen für verschiedene Szenarien und Fahrweisen durch.
X. Umweltbilanz: Vergleicht den Primärenergieverbrauch und die Emissionen der BHKW-Anlagen mit konventionellen Systemen.
XI. Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit und das Potenzial der BHKW-Technik zusammen.
Schlüsselwörter
Blockheizkraftwerk, BHKW, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, Energieeffizienz, Wärmebedarf, Stromverbrauch, Wirtschaftlichkeitsrechnung, Emissionen, Umweltbilanz, Primärenergieeinsparung, Motorheizkraftwerk, Schadstoffminderung, Amortisation, Energiekosten.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht den Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken (MHKW) zur Energieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern unter Berücksichtigung energetischer, wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der technischen Funktionsweise von BHKW-Anlagen, der präzisen Bestimmung des Wärme- und Strombedarfs, der Wirtschaftlichkeitsrechnung verschiedener Betriebsstrategien sowie einer Bilanzierung der Umweltbelastungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, die Eignung von Kleinst-BHKW für die Energieversorgung in Wohngebäuden zu evaluieren und festzustellen, inwieweit dadurch Primärenergie eingespart und Energiekosten gesenkt werden können.
Welche wissenschaftliche Methodik kommt zum Einsatz?
Die Untersuchung basiert auf der Erfassung von Realdaten mittels Energie-Analyse-Systemen, der Berechnung nach VDI-Richtlinien (insbesondere VDI 2067) und einer vergleichenden Gegenüberstellung zur konventionellen Energieversorgung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in technische Grundlagen, die Erfassung von Bedarfsstrukturen, Planungsdaten für die Auslegung sowie eine detaillierte wirtschaftliche Analyse für verschiedene Szenarien (wärme-, strom- und zeitorientierte Fahrweise).
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Amortisation, Stromgestehungskosten, Primärenergieverbrauch sowie die Emissionsminderung durch verschiedene Katalysatortechnologien.
Welche Fahrweise stellt sich in der Analyse als wirtschaftlichste heraus?
Die Ergebnisse zeigen durchgängig, dass bei den untersuchten Wohnhäusern die wärmeorientierte Fahrweise die wirtschaftlich sinnvollste Variante darstellt.
Wie wirken sich verschiedene Betriebsmodi auf die Amortisationszeit aus?
Die Analyse verdeutlicht signifikante Unterschiede: Während beim Fünffamilienhaus in der wärmeorientierten Variante eine Amortisation in ca. 4 Jahren möglich ist, kann sich diese bei anderen Fahrweisen oder Gebäudetypen (wie dem Doppelfamilienhaus) auf über 10 Jahre verlängern.
- Quote paper
- Rainer Valtwies (Author), 1997, Einsatz von Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau; ökonomische, energetische und ökologische Analysen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/25468
