Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken nach VDI 2067

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG

2 NOMENKLATUR

3 STAND DER DINGE
3.1 KWK-Anlagen zur dezentralen Energieerzeugung
3.2 Aktuelle Gesetze, Normen und Richtlinien

4 DAS PRINZIP DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
4.1 Kraft-Wärme-Kopplung
4.2 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
4.3 Thermodynamische Grundlagen

5 BLOCKHEIZKRAFTWERKE
5.1 Der Begriff „Blockheizkraftwerk"
5.2 Größenklassen von BHKWs
5.3 Funktionsweise von BHKWs
5.4 Brennstoffe für BHKWs
5.5 Motoren- und Antriebstechnologien
5.6 Auslegung von BHKWs
5.6.1 Wärmegeführte Auslegung
5.6.2 Stromgeführte Auslegung
5.6.3 Netzgeführter Betrieb
5.7 Netzeinbindung von BHKWs
5.7.1 Einbindung in das Stromnetz
5.7.2 Einbindung in das Heizsystem
5.8 Bewertung von BHKWs
5.9 Förderung von BHKWs
5.9.1 Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-Gesetz)
5.9.2 Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
5.9.3 Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrollen (BAFA)
5.9.4 Einspeisevergütung für KWK-Strom
5.9.5 Steuerbefreiungen / Steuerermäßigungen
5.9.6 Vermeidung von Netznutzungsentgelten
5.9.7 Vergleich: Stromeinspeisung vs. Eigenverbrauch

6 WIRTSCHAFTLICHKEIT
6.1 Allgemeine Verfahren zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit
6.1.1 Statische Rechenmethoden
6.1.2 Dynamische Rechenmethoden
6.2 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067
6.2.1 Gliederung der VDI 2067
6.2.2 Kostengruppen nach VDI 2067 Blatt 1
6.2.3 Rechnerische Nutzungsdauer
6.2.4 Berechnungsgrundlagen zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von BHKW
6.3 Entwicklung eines Excel-Tools zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit
6.3.1 Vorgehensweise zur Berechnung von Kosten und Erlösen
6.3.2 Vergleich von Anlagen und Ergebniszusammenstellung

7 WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE INSTALLIERTER ANLAGEN
7.1 Grundlagen der Analyse
7.2 Analyse des BHKW im Kreisklinikum
7.3 Analyse des BHKW der Industrieanlage

8 ZUSAMMENFASSUNG

9 QUELLENANGABEN

10 ANHANG
A1 VDI 2067 Blatt 1
A2 KWK-Gesetz
A3 Erneuerbare Energien Gesetz Teil 3 „Einspeisevergütung"
A4 Richtlinie zur Förderung von KWK-Anlagen bis 20kWel
A5 Berechnungsblätter Kreisklinikum
A6 Berechnungsblätter Industriebetrieb

1 Einleitung

Atomausstieg, erneuerbare Energien, Energiewende - Schlagworte der heutigen Zeit. Immer weiter steigende Gas- und Strompreise, aber auch Abhängigkeiten von Erdöl-, Gas- und Stromimporten beunruhigen Bevölkerung und Politik.

Spätestens seit der Katastrophe von Fukushima gibt es in Deutschland einen breiten Konsens in Gesellschaft und Politik für eine Entwicklung weg von Atomkraft und fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien, und damit weg von verschmutzenden und Schadstoff emittierenden Kraftwerken sowie Kernkraftwerken hin zu ökologischen Energiekonzepten.

Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung im Rahmen der sogenannten Energiewende ein langfristiges Energiekonzept beschlossen, welches zum Ziel hat, bis zum Jahr 2050 80 % des benötigten Stroms aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Ein mehr als ehrgeiziger Plan, beträgt doch zurzeit der Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtenergiebedarf Deutschlands lediglich 22 %^[1].

Durch das Energiekonzept sollen schädliche Emissionen reduziert und die Abhängigkeit von Energieimporten aus dem Ausland minimiert werden.

Für die Ingenieure der heutigen Zeit bedeutet das die Entwicklung von Energiekonzepten unter umfassender Berücksichtigung ökologischer Gesichtspunkte.

Im Fokus der Energiewende der Bundesregierung steht die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen). Bis zum Jahr 2020 sollen durch solche Anlagen 25 % des deutschen Strombedarfs erzeugt werden.^[2] Auch wenn dies zunächst in der aktuellen öffentlichen Debatte gut klingt, so dürfen doch die mit der Energiewende möglicherweise einhergehenden hohen Kosten nicht aus den Augen verloren werden. Im Zusammenhang mit Investitionen in gebäudetechnische Anlagen reicht der freundliche Hinweis, sie seien umweltschonend, nicht aus. Denn letztlich muss jede Investition wirtschaftlich sein, sie muss sich rechnen.

Um einen Anreiz für die Sanierung oder den Neubau gebäudetechnischer Anlagen zu schaffen, hat die Bundesregierung für KWK-Anlagen, wie z.B. Blockheizkraftwerke (BHKWs), zahlreiche Fördermaßnahmen beschlossen.

Dennoch bleibt häufig die Frage: Lohnt sich das?

Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst technologische Hintergründe der Kraft-Wärme­Kopplung sowie heutiger BHKWs erläutert.

Der Schwerpunkt liegt dann auf der Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von BHKWs unter Berücksichtigung sämtlicher aktueller Fördermaßnahmen und Subventionen. Hier orientiert sich die Arbeit hauptsächlich an der VDI 2067, der bedeutendsten Richtlinie bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen sowie an aktuell geltendem Recht.

In der Arbeit werden Berechnungsschritte zur wirtschaftlichen Beurteilung von gebäudetechnischen Anlagen erläutert und die entsprechenden Vorgehensweisen aufgezeigt.

Um schnell und unkompliziert Aussagen zur Wirtschaftlichkeit von BHKWs treffen zu können, wird ein leicht zu handhabendes Excel-Tool entwickelt, das sämtliche Kosten- und Erlösaspekte berücksichtigt, um zu einer abschließenden Berechnung der Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen zu gelangen. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung erläutert dabei die Handhabung des Tools.

Die Praxistauglichkeit des entwickelten Tools wird durch die Analyse von zwei bereits installierten BHKWs dokumentiert. Es handelt sich dabei um ein BHKW in einem Kreisklinikum sowie um eine Anlage im industriellen Umfeld.

Das entwickelte Excel-Tool wird ausnahmslos bei allen Berechnungen eingesetzt.

Ziel der Arbeit ist es, eine schnelle und abschließende Beantwortung der Frage zu ermöglichen, in welchen Fällen und unter welchen Bedingungen der Einsatz von BHKWs nicht nur ökologisch sondern auch ökonomisch sinnvoll ist.

2 Nomenklatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

3 Stand der Dinge

3.1 KWK-Anlagen zur dezentralen Energieerzeugung

KWK-Anlagen sind keine neuen Erfindungen. Großverbraucher und Industrie nutzen schon seit geraumer Zeit die Vorteile einer gemeinsamen Erzeugung von Strom und Wärme.

Heutige zentrale Großkraftwerke zielen auf eine maximale Stromproduktion ab und sind unter dieser Prämisse geplant worden. Elektrische Energie gilt als äußerst hochwertige Energie, im Gegensatz zu thermischer Energie, die oftmals eher als Abfallprodukt der Stromproduktion gesehen wird. Schließlich kann elektrische Energie, im Gegensatz zu Wärme, ohne große Verluste über lange Strecken transportiert und zum Verbraucher gebracht werden.

Zwar kann auch Wärme über Fernwärmenetze transportiert und genutzt werden, doch die Kosten für den Leitungsausbau sind, ebenso wie die Transportverluste, hoch. Daher können Fernwärmenetze in der Regel nur in Ballungsräumen mit kurzen Anbindungswegen ökonomisch sinnvoll betrieben werden. Viele Kraftwerke stehen aber abseits solcher Ballungszentren.

Ein weiterer Nachteil der Abwärme-Nutzung von Großkraftwerken ist das geringe Temperaturniveau, das bei konventionellen Kraftwerken nurzwischen 10°C und 35°C liegt^[3].

Um Transportverluste und Kosten der Übertragungsnetze gering zu halten, ist es also vorteilhaft, Energie dort zu produzieren, wo sie benötigt wird. Diese Idee der dezentralen Energieerzeugung lässt sich mit Hilfe von KWK-Anlagen sehr gut umsetzen. Speziell KWK- Anlagen kleinerer Leistungsbereiche, BHKWs, eignen sich hervorragend.

Ein großer Vorteil liegt dabei in der Flexibilität der Anlagen. So kann durch Zusammenschluss kleiner dezentraler Einheiten ein Verbund von BHKWs hergestellt werden, der nur die aktuell benötigte Leistung produziert. Diese Idee der virtuellen Kraftwerke gewinnt immer mehr an Bedeutung und wird in naher Zukunft einen der Eckpfeilereinerzukunftsorientierten Energieversorgung darstellen.

Dies spiegelt auch eine Umfrage des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft und Ernst & Young aus dem Jahr 2012 wider, bei der Entscheidern von Stadtwerken und Kommunen die Frage gestellt wurde, welche Themen der Energiewende einen hohen Stellenwert besitzen würden. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse dieser Umfrage:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 1 Themen der Energiewende [Quelle: Ernst & Young, BDEW]

Die Ergebnisse der Umfrage zeigen deutlich, dass zukünftig, neben dem weiteren Ausbau und der Nutzung erneuerbarer Energien, eine Dezentralisierung der Erzeugung einen hohen Stellenwert besitzt.

Die Entwicklung hin zur Dezentralisierung der Energieproduktion lässt sich auch anhand der Menge produzierten KWK-Stroms von 2003 bis 2011 erkennen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 2 Stromerzeugung aus KWK-Anlagen von 2003 -2011 [Quelle: auf Basis Statistisches Bundesamt]

Abbildung 2 zeigt dabei lediglich die gesamte KWK-Stromerzeugung. Die wachsende Bedeutung von BHKWs wird erst deutlich, wenn man die Gesamt-Produktion nach der Art der Erzeugung aufschlüsselt.

Einen entsprechenden Überblickgibtfolgende Abbildung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3 KWK-Strom nach Erzeugungsart [Quelle: auf Basis Statistisches Bundesamt]

Aus der Grafik geht hervor, dass der größte Teil des KWK-Stroms durch Gas- und Dampfturbinen bereitgestellt wird. Hierbei handelt es sich in erster Linie um industrielle Anlagen oder Kraftwerke, die zugleich Fernwärmenetze in Ballungsräumen versorgen. Entscheidender ist jedoch die Steigerung im Bereich der KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotor. Verbrennungsmotoren finden hauptsächlich in BHKWs Anwendung. Die Steigerung der produzierten Terrawattstunden Strom lässt folglich auf eine deutliche Zunahme von BHKW-Anlagen im kleinen Leistungsbereich zwischen 2003 und 2011 schließen.

Die Tendenz ist dabei steigend. Heute beträgt der Anteil an Strom aus KWK-Anlagen rund 15 % der Gesamtproduktion der Bundesrepublik Deutschland, jedoch soll im Rahmen der Energiewende die Menge bis zum Jahr 2020 auf 25 % steigen, sodass auch die Anzahl an BHKWs in den kommenden Jahren steigen wird.

3.2 Aktuelle Gesetze, Normen und Richtlinien

Da KWK-Anlagen bereits seit einiger Zeit eine Rolle im Rahmen effizienter Energieerzeugung spielen, werden sie in zahlreichen Gesetzen, Normen und Richtlinien beschrieben.

Eine Übersicht über die wichtigsten nationalen Gesetze und Verordnungen gibt Tabelle 1. Auch EU-Gesetze und -Richtlinien behandeln die Thematik Kraft-Wärme-Kopplung. Da die deutsche Gesetzgebung diese EU-Gesetze und Richtlinien jedoch zwangsläufig berücksichtigen muss, wird darauf nicht explizit eingegangen. Zudem finden im Hinblick auf KWK-Anlagen verschiedene Steuergesetze Anwendung. Diese werden bei der Erläuterung der Förderprogramme und der Subventionierung von KWK-Anlagen bzw. BHKWs in die Betrachtung einbezogen.

Tabelle 1 Übersicht über aktuelle Gesetze und Verordnungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Tabelle 2 Übersicht über Richtlinien zur Kraft-Wärme-Kopplung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

4 Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung

4.1 Kraft-Wärme-Kopplung

Unter Kraft-Wärme-Kopplung versteht man die „gemeinsame Bereitstellung von Elektrizität und Wärme (z.B. für Raumheizung und Warmwasser) in einem einzigen technischen Prozess.“^[4]

Diese gemeinsame Bereitstellung von Strom und Wärme läuft stets nach dem gleichen Grundprinzip ab. Über Motoren oder Turbinen wird Wärmeenergie in mechanische Energie und weiter in elektrische Energie umgewandelt. Eine vollständige Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist jedoch nicht möglich, da jeder technische Prozess Verluste mit sich bringt. Diese Verluste fallen in Form von Abwärme an.

Die prinzipiell anfallende Abwärme wird ausgekoppelt und dient, je nach Temperaturniveau, der Bereitstellung von Nutzwärme zur Gebäudeheizung, der Warmwasserbereitung oder für Prozesswärme im industriellen Bereich.

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung wird aus Abbildung 4 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 4 Veranschaulichung KWK-Prinzip [Quelle: Firmenunterlagen Viessmann]

Der Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung liegt dabei in der effizienten Nutzung von Primärenergien und somit in einem Beitrag zu einem kosteneffizienten Gesamtsystem.

Konventionelle Kraftwerke haben einen Wirkungsgrad von nicht einmal 40%^[5], da die Abwärme hier in den meisten Fällen ungenutzt abgegeben wird. Bei KWK-Anlagen erhöht sich durch die Nutzung derAbwärme der Wirkungsgrad derAnlage enorm.

Die Unterschiede bezüglich des Primärenergieeinsatzes bei konventioneller und gekoppelter Erzeugung werden aus den Abbildungen 5 und 6 ersichtlich.

Bei dem Vergleich ist die benötigte Nutzenergie 90%. Bei der konventionellen Erzeugung wird der Strom aus einem Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von rund 38% gewonnen. Die Bereitstellung von Wärme erfolgt über eine Gastherme mit einem Wirkungsgrad von rund 90%.

Aus den Abbildungen wird der Vorteil der gekoppelten Erzeugung schnell sichtbar, denn um den gleichen Nutzen zu erhalten, muss bei der konventionellen Erzeugung rund 50% mehr Primärenergie eingesetzt werden.

Durch den verminderten Primärenergieeinsatz fällt natürlich auch die Emissionsbilanz bei gekoppelter Erzeugung deutlich besser aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 5 Primärenergieverwendung bei konventioneller Erzeugung von Strom und Wärme

Nutzenergie 90%

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 6 Primärenergieverwendung bei gekoppelter Erzeugung von Strom und Wärme

4.2 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die in Kapitel 4.1 beschriebene gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme verlangt zwangsläufig auch die (gleichzeitige) Abnahme beider Energieformen. Bei Strom stellt dies kein Problem dar. Für erzeugten KWK-Strom besteht Abnahmepflicht. So kann der überschüssige Strom jeder Zeit in das öffentliche Netz eingespeist werden. Bei der produzierten Wärme hingegen funktioniert das nicht so einfach. Die Wärme muss im Gebäude genutzt oder aber an die Umgebung abgeführt werden. Wird die Wärme nicht verwertet, so verringert sich der Nutzungsgrad der Anlage deutlich. Zudem entfällt in diesem Fall der Förderanspruch.

In warmen Jahreszeiten ist der Wärmebedarf oft gering, was die Laufzeit der KWK-Anlage negativ beeinflusst. Strom wird dann nicht produziert und muss aus dem öffentlichen Netz zugekauft werden. Abhilfe bietet die Integration einer Absorptionskältemaschine (AKM) in den Prozess. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Da AKMs Wärme zur Kühlung benötigen, erhöht sich die Laufzeit des BHKW in den Sommermonaten. Gebäudekühlung bei gleichzeitiger Stromproduktion ist die Folge. Zudem kann häufig auf zusätzliche Kompressionskältemaschinen verzichtet werden. AKM arbeiten nach einfachen physikalischen Grundsätzen:

- Verdampfende (oder siedende) Flüssigkeit absorbiert Wärme; kondensierend gibt sie Wärme ab.
- Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit ist vom Druck abhängig. Mit sinkendem Druck nimmt die Temperatur ab.
- Einige chemische Stoffe besitzen die Affinität, sich gegenseitig zu verbinden.

Im ersten Schritt wird Wasser unter einem annähernden Vakuum verdampft. Die dazu benötigte Verdampfungsenergie wird dem zu kühlenden Wasser entzogen. Als Absorber dient ein Absorptionsmittel, in der Regel kommt eine konzentrierte Lithium-Bromid-Lösung zum Einsatz.

Das Absorptionsmittel ist hydrophil, sodass der entstandene

Wasserdampf absorbiert wird. Das Kältemittel Wasser muss nach der Absorption wieder von der Lithium­Bromid-Lösung getrennt werden - dies geschieht durch Erhitzen, da die Affinität der Lithium-Bromid-Lösung zu Wasser mit steigender Temperatur sinkt. Nach der Trennung von Absorptionsmittel und Kältemittel wird der Wasserdampf in einem Kondensator wieder verflüssigt und steht als Kältemittel erneut zu Verfügung.

Im Vergleich zu Kompressionskälteanlagen sind die Investitionskosten in eine AKM zwar höher, allerdings kann in einem KWKK-Konzept eine verhältnismäßig günstige Kühlung erreicht werden. Zudem ist der Wartungsaufwand einer AKM gering.

Auch in Objekten, in denen eine ganzjährige Kühlung nötig ist, können mit Kraft-Wärme- Kälte-Kopplungsanlagen in der Regel günstige und sich schnell amortisierende Anlagen installiert werden.

AKMs werden wohl elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen nicht vom Markt verdrängen, allerdings sind sie für den Betrieb mit KWK-Anlagen geradezu prädestiniert und stellen in diesem Bereich sicherlich die bessere Alternative für die Gebäudekühlung dar.

4.3 Thermodynamische Grundlagen

Thermodynamisch betrachtet sind KWK-Anlagen einfache Wärmekraftmaschinen. Sie wandeln Wärmeenergie in mechanische Antriebsenergie um. Diese Art von

Energieumwandlung kann über thermodynamische Kreisprozesse beschrieben werden. Die Zustandsänderungen lassen sich dabei für jeden Punkt berechnen und in Diagrammen darstellen.

Der idealisierte Kreisprozess für Wärmekraftmaschinen ist der Carnot-Prozess. Dieser Prozess dient als Vergleichsprozess sämtlicher Wärmekraftmaschinen, da der Carnot­Prozess den (theoretisch) maximalen Wirkungsgrad erreicht. Ebenso ermöglicht er die Veranschaulichung der thermodynamischen Zusammenhänge. Der Carnot-Prozess ist als idealisierter Prozess vollkommen verlustfrei und ergibt den höchstmöglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Aufgrund der Tatsache, dass reale Prozesse stets verlustbehaftet sind, lassen sie sich zwar an den Carnot-Prozess annähern, doch seine theoretischen Werte können in der Praxis nicht erreicht werden.

Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in mechanische Energie stets durch rechtslaufende Kreisprozesse um. Die Umwandlung läuft dabei in 4 Stufen nach folgendem Schema ab:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 SchematischerAblauf Kreisprozess von Wärmekraftmaschinen

Die vier Stufen der Energieumwandlung lassen sich wie folgt beschreiben:

Zustand 1 Zustand 2 isotherme Expansion

Vom Zustand 1 nach 2 wird dem System die Wärmemenge Q12 zugeführt. Durch die Expansion des Arbeitsmediums wird die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die abgegebene Wärmemenge entspricht dabei W12 = -Q12. Da die Umwandlung isotherm abläuft, bleibt die Temperatur des Arbeitsmediums konstant. Die abgegebene Arbeit berechnet sich aus der zugeführten Wärmemenge Q12:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Zustand 2 Zustand 3 adiabate Expansion

Vom Zustand 2 nach 3 wird dem System keine Wärme zugeführt, die Wärmemenge Q23 ist 0. Aufgrund der Temperaturänderung des Arbeitsmediums durch die Expansion wird Arbeit verrichtet, allerdings ist diese abhängig von der Temperaturänderung von Zustand 2 nach Zustand 3. Daraus folgt für die Arbeit W23:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Zustand 3 Zustand 4 isotherme Kompression

Vom Zustand 3 nach Zustand 4 erfolgt die isotherme Kompression. Dabei wird Wärme aus dem System abgeführt. Die abgeführte Wärme Q34 muss dem System in Form von Arbeit wieder zugeführt werden. Im Carnot-Prozess entspricht die zugeführte Arbeit der abgeführten Wärmemenge, das heißt W34= -Q34

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Zustand 4 Zustand 1 adiabate Kompression

Um den Kreisprozess zu schließen und wieder zum Anfangszustand 1 zu gelangen, muss dem System erneut Arbeit zugeführt werden. Da der Carnot-Prozess den idealen, verlustfreien Kreisprozess widerspiegelt, berechnet sich die zugeführte Arbeit W41 nach Gleichung 4:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Das folgende p-V- und T-s-Diagramm verdeutlicht die qualitativen Prozessverläufe:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 p-V-Diagramm Carnot-Prozess [Quelle: Erläuterungen Thermodynamik]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Addiert man nun zugeführte mit abgegebener Arbeit und setzt dies in das Verhältnis zur zugeführten Arbeit, dann erhält man den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Dass der carnot'sche Wirkungsgrad allein von den herrschenden Systemtemperaturen bzw. der maximalen und minimalen Temperatur abhängig ist, ergibt sich aus Einsetzen obiger Formeln und entsprechenden Vereinfachungen zu folgender Gleichung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

In realen Prozessen gilt es, sich dem Carnot-Prozess maximal anzunähern. Auf diese Weise wird eine möglichst maximale Menge an Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt und so der Exergie-Verlust minimal gehalten. Zu beachten ist dabei außerdem, dass Wärmekraftmaschinen, also Maschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln, immer auf Grundlage eines rechtsdrehenden Kreisprozesses arbeiten. Bei Kraftmaschinen, die mechanische Energie in Wärme umwandeln, durchläuft das Arbeitsmedium hingegen einen linksläufigen Kreisprozess.

Entscheidend ist bei der Betrachtung von BHKWs, dass auch eine Annäherung an den Carnot-Prozess stattfindet jedoch im Vergleich zu anderen Wärmekraftmaschinen eine Auskoppelung und Nutzung der entstehenden Abwärme erfolgt.

5 Blockheizkraftwerke

5.1 Der Begriff „Blockheizkraftwerk“

Kraft-Wärme-Kopplung, KWK-Anlage und BHKW sind Begriffe, die immer wieder zusammen auftauchen. Man stellt sich schnell die Frage nach dem Unterschied. Dass die Kraft-Wärme­Kopplung das reine Prozess-Prinzip, nämlich die gemeinsame Produktion von Strom und Wärme beschreibt, ist leicht zu erkennen. Doch häufig findet man auch im Kleinbereich die Bezeichnung KWK-Anlage. Gibt es einen Unterschied zwischen einer KWK-Anlage und einem BHKW? Und wenn ja, worin besteht dieser Unterschied?

Im Lexikon der Energiewirtschaft findet sich unter dem Begriff Kraft-Wärme-Kopplung eine recht knappe Definition: „In einem Blockheizkraftwerk wird das Prinzip der Kraft-Wärme­Kopplung in kleinerem Maßstab durchgeführt.“^[6]

Eine genauere Beschreibung gibt die VDI-Richtlinie 4608 Blatt 1. KWK-Anlage und BHKW definieren sich danach wie folgt:

Eine KWK-Anlage ist ein energietechnisches System, das mit einer oder mehreren Kraftmaschinen bzw. mit Hilfe anderer Anlagenteile, wie z.B. Kondensatoren, gleichzeitig die gewünschten Zielenergieformen Strom und/oder mechanische Energie sowie Wärme erzeugen kann.^[7]

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine autarke, in der Regel wärmegeführte Kraft- Wärme-Kopplungs-Anlage. Eingesetzt werden Verbrennungskraftmaschinen und Gasturbinen, in Sonderfällen auch Dampfturbinen und -motoren sowie in Zukunft auch Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen.^[8]

Per Definition ist damit jedes BHKW eine KWK-Anlage, allerdings gilt dies umgekehrt nicht. Die Definitionen zeigen, dass BHKWs kleine, dezentrale Anlagen sind, die in der Regel nach dem Wärmebedarf eines Objekts ausgelegt werden. Im Gegensatz zu großen, zentralen Kraftwerken steht nicht die Stromproduktion im Vordergrund.

Die Definition der VDI 4608 Blatt 1 beschreibt schon recht genau und treffend, was ein BHKW ist. Allerdings sind die Übergänge auch aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts fließend. Die Definition der VDI 4608 Blatt 1 sagt, dass in BHKWs hauptsächlich Verbrennungsmotoren und Gasturbinen zum Einsatz kommen. Mikro-Gasturbinen werden als Sonderfall angesehen. Allerdings hat die Entwicklung sogenannter Mikro-Gasturbinen dazu geführt, dass Gasturbinen in kleinem Maßstab immer häufiger in BHKWs verbaut werden. Vor allem im industriellen Bereich zur Bereitstellung von Prozesswärme oder Dampf werden sie häufig eingesetzt. Abweichend von der Definition müssen Mikro-Gasturbinen daher nicht als Sonderfälle, sondern in entsprechenden Objekten als echte Alternative zu Verbrennungsmotoren angesehen werden.

Eine in der Definition nicht aufgeführte Antriebstechnologie ist der Stirling-Motor. Er erlebt in KWK-Anlagen eine Art Renaissance und wird von vielen Herstellern bereits verbaut.^[9] Er wird jedoch nicht zu den Verbrennungsmotoren gezählt, da die Verbrennung extern stattfindet. In dieser Arbeit werden dennoch, abweichend von der Definition, KWK-Anlagen mit Stirling- Technologie als BHKWs bezeichnet, sofern sie in ihrer Bauart weitestgehend BHKWs mit Verbrennungsmotoren entsprechen.

5.2 Größenklassen von BHKWs

Was Leistungsgrenzen und Abgrenzungen von BHKWs untereinander angeht, sind bisher noch keine normierten Vorgaben vorhanden. Die gängigste Einteilung ist die nach der elektrischen Leistung derAnlage. Folgende Einteilung ist dabei am geläufigsten^[10]:

a) Nano-BHKW

Nano-BHKW sind von ihrer elektrischen Leistung her die kleinsten auf dem Markt erhältlichen Anlagen.

Ihre Leistung beträgt bis zu 2,5kWeL Die ersten Modelle wurden im Jahr 2010 eingeführt. Ihr Einsatzgebiet ist die gemeinsame Strom- und Wärmeerzeugung zur Versorgung von Einfamilienhäusern. Mittlerweile bieten viele Hersteller Anlagen für Einfamilienhäuser an, beispielsweise die Firma Viessmann mit dem Vitotwin 300 - W.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 11 Vitotwin 300-W [Quelle: Firmenunterlagen Viessmann]

b) Mikro-BHKW

Hierunter werden Anlagen verstanden, die zwischen 2,5kWeL und maximal 20kWeL leisten. Auch diese Anlagen werden hauptsächlich im privaten Bereich von Ein- oder Mehrfamilienhäusern verbaut.

c) Mini-BHKW

Diese Geräteklasse deckt den Leistungsbereich von 20kWeL bis etwa 50kWeL ab. Diese Anlagen sind für die Versorgung von großen Bürokomplexen oder großen Mehrfamilienhäusern gedacht. Auch im kleineren industriellen Bereich besteht die Möglichkeit, ein Mini-BHKW zu betreiben.

d) Groß-BHKW

Ab einer elektrischen Leistung von 50kWeL spricht man von Groß-BHKW. Es gibt keine feste Begrenzung nach oben und aufgrund des technischen Fortschritts wird es eine solche Höchstgrenze vermutlich nie geben. Bereits heute sind vereinzelt Anlagen mit einer Leistung von bis zu 20MW realisiert worden. Der Einsatzbereich von Groß-BHKW liegt bei der dezentralen Versorgung großer Industrieanlangen, Krankenhäusern, Schwimmbädern oder auch ganzer Stadtteile und Gemeinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung12 Groß-BHKWmit643kW [Quelle: Stadtwerke Neustadt]

Die nebenstehendeAbbildung zeigt ein BHKW mit einer Gesamtleistung von rund 643kW, welches inNeustadt / Weinstraße warmes Wasser für das Stadionbad bereitstellt.

Die Unterteilung von BHKWs nach ihrer elektrischen Leistung zeigt zusammenfassend Abbildung 13.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 13: Einteilung von BHKW nach elektrischer Leistung

5.3 Funktionsweise von BHKWs

BHKWs arbeiten nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.

Durch Verbrennung wird Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Diese Energie wird genutzt, um über die Motorwelle einen Generator anzutreiben und so elektrischen Strom zu produzieren.

Die Wärmenutzung erfolgt durch Auskopplung der in den Abgasen und Kühlkreisläufen vorhandenen Wärme. So wird dem Abgas über den Abgas-Wärmetauscher und dem Kühlwasser-Rücklauf über den Kühlwasser-Wärmetauscher ein Großteil der jeweils enthaltenen Wärme entzogen und dem Wärmeverbraucher (z.B. der Gebäudeheizung oder zur Bereitung von Brauchwarmwasser) zugeführt.

Abbildung 14 zeigt vereinfacht das Funktionsprinzip eines BHKW und soll die Zusammenhänge dergekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme veranschaulichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 14 Funktionsprinzip BHKW

5.4 Brennstoffe für BHKWs

Die schnell voranschreitende technologische Entwicklung von BHKWs hat auch zu einer Erweiterung möglicher Brennstoffe geführt. Es können mittlerweile nahezu alle Brennstoffe eingesetzt werden. Auch wenn zurzeit noch fossile Brennstoffe überwiegen, werden zunehmend regenerative Bio-Kraftstoffe genutzt.

a) Fossile Brennstoffe

Der häufigste Brennstoff ist auch bei BHKWs das Erdgas. Dies liegt hauptsächlich an der gut ausgebauten Erdgas-Netzstruktur. Eine Versorgung mit Erdgas ist beinahe überall problemlos möglich. Zudem besteht keine Lagernotwendigkeit.

Auch aus ökologischer Sicht ist der Einsatz von Erdgas vorteilhaft. Zwar wird bei der Verbrennung eines fossilen Energieträgers immer C02 freigesetzt, dennoch ist die C02- Bilanz von Erdgas aufgrund des hohen Wasserstoffanteils besser als bei anderen fossilen Energieträgern, wie Abbildung 15 zeigt.

Sofern das zu versorgende Objekt keinen Anschluss an das Gas-Verteilnetz hat, bietet sich der Betrieb mit Flüssiggas an. Im Gegensatz zu Erdgas müssen jedoch Gastanks zur Lagerung bereitgestellt werden.

Natürlich besteht ebenso die Möglichkeit, BHKWs mit Diesel bzw. leichtem Heizöl zu betreiben. Die Versorgung mit Heizöl kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn Alt­Anlagen saniert und Lagermöglichkeiten für Heizöl bereits vorhanden sind. Allerdings ist immer auch zu berücksichtigen, dass ein mit Heizöl oder Diesel betriebenes BHKW deutlich schlechtere Emissionswerte aufweist.

Einen Vorteil bieten mit Diesel betriebene Motoren: Sie besitzen einen etwas höheren Wirkungsgrad als Gas-Motoren. Daher sind sie besonders geeignet für den Einsatz als Notstromaggregat bzw. für den Inselbetrieb.

b) Regenerative Brennstoffe

Erneuerbare Brennstoffe sind gegenwärtig noch deutlich weniger verbreitet als fossile Energieträger. Dennoch lässt sich eine zunehmende Tendenz beim Einsatz pflanzlicher Brennstoffe erkennen. Hauptsächlich werden Pflanzenöle, Biodiesel und Biogas eingesetzt. Zu beachten ist dabei, dass die BHKW-Motoren entsprechend auf diese Energieträger angepasst werden müssen. Gerade bei der Verbrennung von Biodiesel kann es durch die Aggressivität des Brennstoffs schnell zu Verschleißerscheinungen von Gummi- und Kunststoffteilen kommen.

Neben den erwähnten Brennstoffen können zudem Holzpellets, Stückholz oder Hackschnitzel verbrannt werden. Bei diesen Brennstoffen kommt fast ausschließlich Stirling- Technologie zum Einsatz, da die entsprechenden technischen Prozesse durch die externe Verbrennung deutlich einfacher werden.

In landwirtschaftlichen Regionen spielen Anlagen, die über Bioabfälle, Grasabfälle und sonstige feste Biomasse oder Gülle betrieben werden, eine Rolle. Die Biomasse wird entweder vergoren und das entstehende Biogas verbrannt oder direkt in einem Biomasse­Kessel verfeuert. Vor allem in landwirtschaftlichen Betrieben kann damit auf sehr umweltschonende und kostengünstige Art eine gekoppelte Energieerzeugung stattfinden.

Jedoch ist Biomasse beim Großteil der BHKWs nicht von Bedeutung, auch wenn Förderungen und Subventionen hieram höchsten sind.

Ein hervorzuhebender Vorteil von erneuerbaren Energieträgern liegt in den äußerst geringen Emissionen, wie Abbildung 16 zeigt.

Emissionen regenerativer Brennstoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 16 Emissionen erneuerbarer Brennstoffe [Quelle: auf Basis GEMIS Datenbank Version 4.6]

5.5 Motoren- und Antriebstechnologien

a) BHKW mit Verbrennungsmotoren

Der überwiegende Teil der BHKWs wird mit Verbrennungsmotoren betrieben. Hierbei kommen speziell angepasste Otto- oder Dieselmotoren zum Einsatz.

Als Treibstoffe können bei Verbrennungsmotoren Erd-, Flüssig- oder Biogas, aber auch Heiz- oder Pflanzenöl verwendet werden. Der Markt bietet Verbrennungsmotoren sämtlicher Leistungsbereiche an.

Die Nutzung der Abwärme aus Abgas, Kühlwasser und Schmieröl-Prozessen macht es möglich, Wasser problemlos auf bis zu 90°C zu erhitzen. Dieses Temperaturniveau eignet sich bestens zu Heizzwecken oder zur Erwärmung von Brauchwarmwasser.

Verbrennungsmotoren überzeugen durch hohe Wirkungsgrade, auch im Teillastbereich, was dazu führt, dass bereits modulierende BHKW auf dem Markt erhältlich sind. Ein gutes Beispiel hierfür sind die BHKW-Module der Firma Vaillant, die mittlerweile alle modulierend arbeiten und so aufdas Jahr gesehen deutlich höhere Laufzeiten erreichen.

Nachteilig sind die relativ hohen Wartungskosten, denn, je nach Hersteller, muss alle 2000h bis 6000h eine Wartung erfolgen, ein Ölwechsel durchgeführt und Verschleißteile evtl. erneuert werden. Diese relativieren sich jedoch wieder bei Abschluss eines Vollwartungsvertrags, der bei Betrieb von BHKWs zu empfehlen ist.

Abbildung 17 zeigt das Prinzipschaltbild eines BHKW mitVerbrennungsmotor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Die Auskopplung der Wärme erfolgt hier über das Zusammenwirken von Abgas-, Kühlwasser- und Ölkühler-Wärmetauscher.

b) BHKW mit Stirling-Motoren

Der Stirling-Motor erlebt durch BHKWs eine Art Renaissance.

Die Verbrennung findet dabei nicht im Motor, sondern in einer externen Brennkammer statt.

Die entstehende Wärme sorgt für die Expansion und Kompression einer konstanten Menge Gas innerhalb eines geschlossenen Systems im Motor, wodurch dann über Kolben mechanische Energie erzeugt wird.

Die externe Verbrennung ist der große Vorteil des Stirling- Motors. Die Befeuerung ist theoretisch mit jedem Kraftstoff möglich und die Flamme kann konstant gehalten werden.

Zudem sind Stirling-Motoren über sehr lange Laufzeiten hinweg wartungsfrei.

Nachteilig im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind allerdings meist geringe elektrische Wirkungsgrade und damit verbunden etwas geringere Gesamtwirkungsgrade

Viele Hersteller bieten Stirling-basierte BHKWs für den Kleinbereich an, darunter Viessmann, Senertec und Brötje.

c) BHKW mit Gasturbinen

Gasturbinen eignen sich hervorragend zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme.

Sie werden oft in der Industrie und in Kraftwerksprozessen eingesetzt.

Der Prozess läuft vereinfacht wie folgt ab: Im Verdichter wird zu Beginn die Verbrennungsluft verdichtet. Diese verdichtete Verbrennungsluft wird mit dem verdichteten Brenngas in der Brennkammer verbrannt. Die heißen Abgase aus dieser Verbrennung treiben die Turbine an. Normalerweise handelt es sich bei heutigen Gasturbinen-Anlagen um Einwellenanlagen, d.h. Turbine und Generator sind auf derselben Welle montiert. Die mechanische Energie der Turbine wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Die heißen Abgase werden ausgekoppelt. Bei Gasturbinen besteht aufgrund sehr hoher Abgastemperaturen von 450°C bis 600°C die Möglichkeit, Prozesswärme bereitzustellen. Hierzu wird das Abgas entweder direkt über einen Abgaswärmetauscher geführt oder in einem Abhitzekessel, beispielsweise zur Dampferzeugung, genutzt.

Technologische Entwicklungen machen es mittlerweile möglich, Gasturbinen ab einem Leistungsbereich von etwa 30kWeLzu bauen. Siewerden als Mikro-Gasturbinen bezeichnet.

Zwar sind die Anschaffungskosten für Gasturbinen-Anlagen höher als für vergleichbare Anlagen mit Verbrennungsmotoren und auch die Gesamtwirkungsgrade liegen einige Prozentpunkte niedriger. Allerdings sind der Wartungsaufwand und die damit verbundenen

Wartungskosten deutlich geringer, sodass Gasturbinen für industrielle Anwendungen eine gute Alternative zu Motor-BHKWs sein können.

Ein Anbieter von Mikro-Gasturbinen im Leistungsbereich von 30kWeL bis 4MWeL ist die Firma E-Quad Power Systems, die mit ihren Gasturbinen hauptsächlich für Industrie, Großverbraucher und auch Kommunen Systemlösungen zur effizienten dezentralen Versorgung bereitstellt.

Der durch Gasturbinen in Großkraftwerken erzeugte Dampf wird häufig genutzt, um mit weiteren nachgeschalteten Turbinen Strom zu erzeugen. Dadurch wird der elektrische Wirkungsgrad deutlich gesteigert. Solche Anlagen werden Gas- und Dampf-Kraftwerke genannt (GuD-Kraftwerke). Im Bereich von BHKWs und der dezentralen Erzeugung spielen sie aber keine Rolle. Daher soll diese Anwendung hier nur kurz erwähnt, aber nicht weiter ausgeführt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 19 Prinzipschaltbild BHKW mit Gasturbine [Quelle: auf Basis Karl W. Schmitz: Kraft-Wärme-Kopplung (1996), S.88]

d) BHKW mit Brennstoffzelle

Im Jahre 1870 schrieb derfranzösische Schriftsteller Jules Vernes:

Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.^[11]

Die Entwicklung der Brennstoffzelle als umweltfreundliche Alternative zu Verbrennungsmotoren soll ihm Recht geben.

Brennstoffzellen werden in der Fachwelt als eine der entscheidenden Technologien zur Energieerzeugung angesehen. Anders als bei Verbrennungsmotoren wird Strom nicht indirekt über die Verbrennung und Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie erzeugt, sondern direkt aus chemischen Reaktionen gewonnen.

Das Funktionsprinzip ist dabei recht einfach: Als Treibstoff nutzt die Brennstoffzelle Wasserstoff. An der Anode wird der Wasserstoff in Protonen und Elektronen geteilt. Die Protonen gelangen über einen Elektrolyten direkt zur Brennstoffzellen-Kathode. Die

Elektronen hingegen werden zuerst den elektrischen Verbrauchern zugeführt, bevor sie die Katode erreichen. Protonen und Elektronen reagieren an der Katode mit Sauerstoffmolekülen zu Wasser. Bei dieser Reaktion entsteht neben dem Wasser auch Wärme, die über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und zur Nutzung, beispielsweise in der Gebäudetechnik, verwendet werden kann.

Brennstoffzellen sind modulartig aufgebaut. Viele kleine Einheiten, sogenannte Stacks, ergeben eine große Einheit. Bauartbedingt können Brennstoffzellen somit in sämtlichen Leistungsbereichen angeboten werden.

Ein weiterer großer Vorteil liegt in den kaum messbaren Wirkungsgradeinbußen im Teillastbereich.

Brennstoffzellen arbeiten mit geringsten Emissionen, als Abfallprodukt fällt Wasser an, der Wartungsaufwand ist sehr gering.

Anode membrán Kathode

Die Technologie ist vielversprechend. Um aber Verbrennungsmotoren wirkliche Konkurrenz machen zu können, müssten Brennstoffzellen deutlich günstiger werden.

Zurzeit arbeiten Hersteller an serienreifen Brennstoffzellen-BHKWs, auch für den Kleinbereich. Einige Geräte stehen kurz vor der Markteinführung, müssen aber zunächst noch Feldversuche und Praxistests durchlaufen.

5.6 Auslegung von BHKWs

BHKWs werden nicht als alleinige Energieerzeuger eingesetzt. Sie decken vielmehr den Grundlastbedarf an Wärme und Strom eines Objekts. Darüber hinausgehende Lasten werden überSpitzenlastkessel, in der Regel Gas-Brennwertthermen, abgedeckt.

BHKWs laufen normalerweise ständig im Volllastbereich. Um die Belastungen des Motors zu verringern und die Lebensdauer zu verlängern, sollten häufiges Takten und häufige Wechsel des Leistungsbereichs vermieden werden. Im Übrigen erfordert ein wirtschaftlicher Betrieb eine jährliche Laufzeit von mindestens 3500h bis 4000h.

Auch modulierende Geräte müssen eine möglichst hohe Laufzeit unter Volllast erzielen. Die Leistungsminderung durch Modulation dient dabei der zusätzlichen Erhöhung der Laufzeit sowie der Motorschonung durch die Vermeidung häufigerTaktfrequenzen.

Um die optimale Größe eines BHKW zu ermitteln, sind genaue Kenntnis über die Gebäudelastgänge und die Lastverteilung erforderlich. Je nach Objekt kann man dabei auf Daten des Energieversorgungsunternehmens (EVU) zurückgreifen oder entsprechende Messungen durchführen.

Wenn das EVU keine Daten bereitstellen kann und Messungen zu unverhältnismäßig hohem Zeit- und Kostenaufwand führen, bietet sich die Möglichkeit der Gebäudesimulation oder aber die Verwendung von Referenzlastprofilen nach VDI 4655 für den Bereich Ein- und Mehrfamilienhäuser an. Jedoch gilt für jedes BHKW, dass die Anlage umso effizienter arbeitet, je genauer die Lasterfassung erfolgt.

Aus den ermittelten Lasten bildet man schließlich eine geordnete Häufigkeitsverteilung der Leistung, die sogenannte Jahresdauerlinie. Anhand der Jahresdauerlinie wird die Größe des BHKW-Moduls bestimmt, sodass eine möglichst hohe Laufzeit der Anlage und eine möglichst schnelle Amortisierung erreicht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 21 Beispiel wärmeorientierte Auslegung über Jahresdauerlinie

[Quelle: ASUE]

5.6.1 Wärmegeführte Auslegung

Die wärmgeführte Auslegung eines BHKW basiert auf dem Wärmebedarf des zu versorgenden Objekts. Das BHKW wird dabei so ausgelegt, dass die Grundlast des Wärmebedarfs des Objekts gesichert wird.

Diese Art der Auslegung ist der Regelfall, da die Orientierung am Wärmebedarf sinnvoller ist als eine Auslegung nach dem Strombedarf. Der Wärmebedarf unterliegt in der Regel weniger starken Schwankungen und Spitzenlasten. Außerdem kann überschüssiger Strom nicht nur in das öffentliche Netz eingespeist werden, sondern wird zudem auch vergütet. Überschüssige Wärmeenergie kann zwar zu einem gewissen Teil in Pufferspeichern zwischengespeichert werden, jedoch produziert ein BHKW immer mehr Wärmeenergie als Strom, sodass bei großen Strommengen nochmals größere Wärmemengen anfallen. Der Einsatz von Pufferspeichern bei der wärmgeführten Auslegung ermöglicht eine leichte Verzerrung von Strom- und Wärmenutzung und kann die Laufzeit des BHKW positiv beeinflussen, allerdings darf unter Berücksichtigung von Stagnation und hygienischen Anforderungen der Pufferspeicher auch nicht übermäßig groß dimensioniert sein. Die Größe des Pufferspeichers sollte so gewählt werden, dass das BHKW eine Stunde im Volllastbereich laufen kann.

In diesem Fall der sogenannten stromerzeugenden Heizung wird das BHKW bei Wärmeanforderung gestartet und bei vollständiger Wärmedeckung abgeschaltet. Die Möglichkeit, modulierende BHKWs einzusetzen, führt dabei zu zusätzlichen Laufzeiten, einem höheren Jahresnutzungsgrad und somit zu einer besseren Wirtschaftlichkeit der Anlage.

5.6.2 Stromgeführte Auslegung

Bei der stromgeführten Auslegung orientiert sich die Größe des BHKW an der Stromlast des Objekts. Diese Auslegung ist eher selten anzutreffen. Die anfallende Wärmeenergie kann problematisch sein und die Effizienz drastisch senken, wenn kein entsprechender Wärmebedarf vorhanden ist. Das Speichern von großen Wärmemengen in Pufferspeichern ist, wie bereits erwähnt, nur schwer realisierbar und aus hygienischen Gründen bedenklich. Wird die Wärmeenergie ungenutzt in die Umwelt abgegeben, sinkt der Nutzungsgrad des BHKW drastisch und die Vorteile dergekoppelten Erzeugung sind nicht mehr gegeben.

Werden jedoch Strom- und Wärmeenergie gleichermaßen abgenommen, z.B. durch Auskoppeln der Wärmeenergie in Fern- oder Nahwärmenetze zur Versorgung weiterer Objekte, so ist gegen die stromgeführte Betriebsweise nichts einzuwenden.

Sinnvoll ist diese Art des Betriebs auch dann, wenn sehr große Mengen an Strom über das ganze Jahr benötigt werden und ohne BHKW zu hohen Preisen eingekauft werden müssten. In solchen Fällen kann die stromgeführte Auslegung durchaus vorteilhaft sein, auch wenn nur ein kleiner Teil der Wärmeenergie genutzt wird und Überschüsse ungenutzt abgegeben werden.

Eine stromgeführte Betriebsweise kommt auch im Inselbetrieb von BHKWs zum Einsatz. Inselbetrieb bedeutet dabei die autarke Betriebsweise des BHKW. Das BHKW kann den benötigten Strom eigenständig bereitstellen. Der Inselbetrieb wird zur Notstromversorgung eingesetzt, allerdings muss aufgrund der ungenügenden Wärmeabnahme entstehende Wärme über ein Kühlsystem ungenutzt abgegeben werden, was sich in der Wirtschaftlichkeit stark negativ bemerkbar macht. Die Vorteile der gemeinsamen Erzeugung von Strom und Wärme entfallen. Daher kommt ein solcher Betrieb im Grunde nur dort in Frage, wo Notstromaggregate zwingend geboten sind und daher der Kostenfaktor keine Rolle spielt.

5.6.3 Netzgeführter Betrieb

Eine Sonderform in der Betriebsweise von BHKWs stellt der netzgeführte Betrieb dar. Das BHKW wird in diesem Fall nicht aufgrund von Gebäudelasten ausgelegt und gesteuert, sondern durch den Netzbetreiber. Einzelne BHKWs werden über eine zentrale Leittechnik miteinander verschaltet. Abhängig von der Last, die der Netzbetreiber abdecken muss, werden einzelne Anlagen zu- oder abgeschaltet. Diese Art der Verkettung einzelner dezentraler Anlagen zu einer Gesamteinheit wird virtuelles Kraftwerk genannt. Ein Netzbetreiber produziert dabei nur so viel Strom, wie für den aktuellen Bedarf benötigt wird. Dies ist möglich, da ein BHKW innerhalb kürzester Zeit an- und abgeschaltet werden kann. Im Gegensatz dazu benötigt ein Kohlekraftwerk mehrere Stunden um nach Abschaltung wieder in Betrieb gehen zu können.

Diese Betriebsweise kommt beim Energie Contracting zur Anwendung. Hierbei wird lediglich der Aufstellraum für das BHKW zu Verfügung gestellt. Sämtliche Investitionen und Kosten für die Anlage trägt der Anbieter. Das BHKW produziert dann Strom und Wärme nicht für das eigene Objekt, sondern für den Betreiber. Für die Bereitstellung des Aufstellplatzes erhält man im Gegenzug günstige Strom- und Wärmelieferungen. Ein großer Anbieter hierfür ist die Lichtblick SE mit ihrem „ZuHauseKraftwerk“.^[12]

5.7 Netzeinbindung von BHKWs

5.7.1 EinbindungindasStromnetz

BHKWs werden, außer im Inselbetrieb zur Notstromversorgung, parallel zum Stromnetz betrieben. Die Stromproduktion erfolgt durch Asynchron- oder Synchrongeneratoren. Die Inbetriebnahme eines BHKW mit Anschluss an das öffentliche Netz muss beantragt werden. Entsprechende Formularesind beim jeweiligen Energieversorgungsunternehmen erhältlich.

5.7.2 Einbindung in das Heizsystem

BHKWs werden nicht als alleinige Erzeuger eingesetzt, sondern stets zur Deckung der Gebäudegrundlast. BHKW und Spitzenlastkessel können dabei in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden.

Bei der Reihenschaltung wird ein Teilstrom des Rücklaufs über das BHKW geführt und erwärmt. Das erwärmte Wasser wird dem Rücklauf beigemischt und dem Heizkessel zugeführt. Die Differenz zwischen Rücklauftemperatur und Soll-Vorlauftemperatur wird dann vom Spitzenlastkessel erzeugt. Prinzipiell ist die Reihenschaltung mit einer Rücklauftemperaturanhebung zu vergleichen. Wenn geringe Temperaturen erforderlich sind, die das BHKW alleine leisten kann, wird der Kessel über eine Bypass-Leitung umgangen.

Diese Schaltung kommt vorranging dann zum Einsatz, wenn hohe Vorlauftemperaturen, Prozesswärme oder Dampf bereitgestellt werden müssen. Da in diesen Fällen dauerhaft hohe Temperaturen benötigt werden, heizt das BHKW das Wasser vor. Die Differenz leistet im Anschluss der Spitzenlastkessel, sodass ausreichende Temperaturen sichergestellt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 22 Reihenschaltung BHKW und Spitzenlastkessel

Bei der Parallelschaltung schaltet sich der Spitzenlastkessel erst hinzu, wenn das BHKW keine ausreichende Wärme mehr bereitstellen kann. In der Regel speisen BHKW und Spitzenlastkessel einen Pufferspeicher. Fällt die Soll-Temperatur im Speicher unter den eingestellten Wert, so schaltet sich der Kessel zu und leistet die Differenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur. Durch einen Pufferspeicher können dabei kurzzeitige Spitzenlasten ausgeglichen oder überschüssige Wärme aus der BHKW-Produktion zwischengespeichert werden, auch wenn kein direkter Bedarf besteht. Daraus folgt die Erhöhung der Laufzeit des BHKW und entsprechend die Verringerung der Laufzeiten des Spitzenlastkessels. Zudem kann der Pufferspeicher als hydraulische Weiche dienen, sodass BHKW- und Kesselkreislauf hydraulisch entkoppelt werden.

Der Pufferspeicher ist allgemein so zu dimensionieren, dass eine Volllast-Laufzeit von einer Stunde gepuffert werden kann.^[13]

Die Parallelschaltung kommt zum Einsatz, wenn niedrige Rücklauftemperaturen gewünscht sind, beispielsweise um Brennwerteffekte auszunutzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 23 Parallelschaltung BHKW und Spitzenlastkessel

Gerade bei kleinen BHKWs sind sämtliche Komponenten inklusive Spitzenlast-Brenner in einem Gerät enthalten. Dadurch wird die Installation deutlich vereinfacht und auch die hydraulische Einbindung stellt kein großes Problem dar. Die anschlussfertigen Geräte müssen lediglich an Vor- und Rücklauf, Pufferspeicher und elektrisches Netz angeschlossen werden.

Wie bereits beschrieben eignen sich BHKWs hervorragend für die Integration einer thermischen Kältemaschine. In der Regel kommen hierbei AKMs zum Einsatz.

Hierbei wird die AKM, wie dies auch bei einem Wärmeverbraucher geschieht, über den Pufferspeicher mit Wärme versorgt. Dies führt gerade im Sommer zu sehr hohen Laufzeiten eines BHKW und bietet sich überall dort an, wo Kälte benötigt wird.

Auf den folgenden Seiten sind Hydraulikschemata der Einbindemöglichkeiten von BHKWs dargestellt.

Abbildung 24 zeigt die hydraulische Einbindung eines BHKW zu Heiz- und Trinkwarmwasserbereitungszwecken in Reihenschaltung, Abbildung 25 zeigt die Einbindung in Parallelschaltung, wie es in der Regel bei Mikro-KWK-Anlagen der Fall ist und Abbildung 26 zeigt die Hydraulik einer KWK-Anlage mit eingebundener AKM.

Bei den Schaltungen wurde auf BHKW, Spitzenlastkessel sowie die jeweiligen Pufferspeicher der Firma Viessmann, bei der AKM auf Datensätze der Firma EAW Energieanlagenbau zurückgegriffen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 24 Hydraulikschema BHKW Firma Viessmann, Reihenschaltung

[Quelle: Auf Basis Firmenunterlagen Viessmann]

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^[1] Statistisches Bundesamt

^[2] Bundesministerium fürWirtschaft

^[3] Wolfgang Suttor: Blockheizkraftwerke - Ein Leitfaden für den Anwender (2009), S.32

^[4] Michael Kraus: Lexikon der Energiewirtschaft (2009), S.118

^[5] Vgl. Suttor (2009), S. 32

^[6] Kraus (2004), S. 29

^[7] VDI 4608 Blatt 1 Energiesysteme Kraft-Wärme-Kopplung (2005) S. 24

^[8] VDI 4608 Blatt 1 Energiesysteme Kraft-Wärme-Kopplung (2005) S. 26

^[9] Z.B. Viessmann Vitotwin 300-W oderWhisperGen Mini-BHKW

^[10] Deutsche Energieagentur-Thema Energie

^[11] Jules Vernes: Die geheimnisvolle Insel (1870)

^[12] Vgl. EnergieversorgerLichtblickSE, Hamburg, www.lichtblick.de

^[13] Suttor (2009), S. 87