Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Wirtschaftlichkeitsanalyse von kleinen BHKWs (sog. Mikro-BHKW) für Ein- und Zweifamilienhäuser. Stand der Technik sind heute der Verbrennungsmotor, der Stirlingmotor und die Mikro-Gasturbine, wobei letztere sich gerade in ihrer Anlaufphase befindet. In dieser Arbeit erfolgt erst eine Untersuchung von Einsatzgebieten, der Funktionsweise sowie den eingesetzten Brennstoffen. Im Anschluss daran werden die 3 gängigen Antriebe mit Vor- und Nachteilen analysiert und die Unterschiede zwischen den eingesetzten Generatoren herausgearbeitet.
Um eine Aussage über die Wirtschaftlichkeit treffen zu können, wurde ein digitales Berechnungsprogramm erstellt, mit welchem die Wirtschaftlichkeit unter Angabe diverser Parameter für jeden Einzelfall bestimmt werden kann.
Das Tool bietet auch die Möglichkeit, die optimale Laufzeit und die optimale Leistung (Elektr./therm.) automatisch zu bestimmen. Für die Nachfrage nach elektrischer und thermischer Energie wurden Standardlastprofile für Haushalte herangezogen. Diese können je nach Personenzahl, Größe und Isolationsqualität der Wände beliebig skaliert werden oder durch manuelle Eingaben ersetzt werden.
Die Wirtschaftlichkeit wird über einen beliebigen Zeithorizont ermittelt und berücksichtigt die Verzinsung des Kapitals und sämtliche Einspeisevergütungen und Fördermöglichkeiten für ein BHKW. In einer Sensitivitätsanalyse werden weiterhin fluktuierende Strom- und Gaspreise in der Zukunft und deren Einfluss auf die Rentabilität von BHKWs herausgearbeitet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Blockheizkraftwerke
2.1 Definition und Klassifizierung
2.2 Aufbau und Funktionsweise
2.3 Wichtige Kennzahlen
2.4 Brennstoffe
2.5 Einsatzgebiete und Betriebskonzepte
3 Generator und Motor
3.1 Der Generator
3.1.1 Der Synchrongenerator
3.1.2 Der Asynchrongenerator
3.2 Der Motor
3.2.1 Der Gas-Ottomotor
3.2.2 Der Stirlingmotor
3.2.3 Die Mikrogasturbine
4 Wirtschaftlichkeitsanalyse eines Mikro-Blockheizkraftwerkes
4.1 Rahmenbedingungen
4.1.1 Wirtschaftliche und rechtliche Aspekte
4.1.2 Gebäude und Nachfragestruktur
4.2 Dimensionierung des BHKWs
4.3 Die Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.3.1 Modell der Wirtschaftlichkeitsrechnung
4.3.2 Realisierung mit Microsoft-Excel
4.3.3 Ergebnisse
5 Fazit
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die ganzheitliche Wirtschaftlichkeitsanalyse von Mikro-Blockheizkraftwerken (BHKW) für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern. Es soll untersucht werden, unter welchen spezifischen Rahmenbedingungen – insbesondere unter Berücksichtigung variabler Energiepreise und Förderstrukturen – sich eine solche langfristige Investition gegenüber einer konventionellen Energieversorgung durch Netzbezug und Gas-Brennwertkessel rentiert.
- Technische Grundlagen von BHKWs (Motoren, Generatoren, Systemaufbau)
- Analyse der gesetzlichen Förderbedingungen (KWK-Gesetz, Energiesteuer, EEG-Umlage)
- Modellierung von Lastprofilen für Ein- und Zweifamilienhäuser anhand der VDI-Richtlinie 4655
- Dimensionierung von Anlagen mittels Jahresdauerlinien
- Durchführung einer dynamischen Wirtschaftlichkeitsrechnung (Annuitätenmethode)
Auszug aus dem Buch
2.2 Aufbau und Funktionsweise
Die Hauptkomponenten eines BHKWs sind ein Antriebsaggregat, ein Generator und ein Wärmetauscher. In Abbildung 2-1 wird ein beispielhafter Aufbau eines BHKWs mit einem Gas-Ottomotor dargestellt, wobei auch andere Antriebsaggregate eingesetzt werden können. Zum einen gibt es die Möglichkeit der Wärmekraftmaschinen, zu denen neben dem Ottomotor auch der Stirlingmotor, der Diesel-Motor und die Gasturbine zählen. Zum anderen können auch Brennstoffzellen eingesetzt werden, die sich derzeit noch überwiegend in der Testphase befinden. Der Brennstoffzelle kommt aufgrund ihrer emissionsfreien Betriebsweise in der Zukunft eine bedeutende Rolle zu. Durch einen elektrochemischen Prozess wird die eingesetzte Energie direkt in elektrische und thermische Energie umgewandelt.
Auf die grundlegende Funktionsweise der verschiedenen Motoren, der Gasturbine und der Generatoren und der daraus resultierenden Vor- und Nachteile für ein BHKW wird im nächsten Kapitel ausführlicher eingegangen. Im Falle des Gas-Ottomotors wird das zugeführte Luft-Gas-Gemisch in einem abgeschlossenen Zylinder des Motors komprimiert und durch eine Fremdzündung der Zündkerze kontrolliert gezündet. Durch die Zündung expandiert das Gas explosionsartig und verrichtet durch die Änderung seines Volumens mechanische Arbeit am Kolben. Im Fahrzeug wird diese mechanische Energie für den Antrieb der Räder benötigt, während sie im BHKW über eine Welle einen Generator antreibt, der aus dieser schließlich elektrische Energie erzeugt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Notwendigkeit der effizienten Energienutzung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) als Antwort auf steigende Energiebedarfe und begrenzte fossile Ressourcen.
2 Blockheizkraftwerke: Definiert BHKWs als stationäre Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung und erläutert deren Aufbau, Klassifizierung sowie relevante Kennzahlen.
3 Generator und Motor: Analysiert die technischen Komponenten (Synchron-/Asynchrongenerator sowie Gas-Ottomotor, Stirlingmotor und Mikrogasturbine) hinsichtlich ihrer Funktionsweise und Eignung für den dezentralen Einsatz.
4 Wirtschaftlichkeitsanalyse eines Mikro-Blockheizkraftwerkes: Beschreibt die methodische Vorgehensweise zur Bewertung der Investition für ein modellhaftes Zweifamilienhaus unter Berücksichtigung technischer und ökonomischer Randbedingungen.
5 Fazit: Fasst die Erkenntnisse zusammen und bewertet die Wirtschaftlichkeit sowie die ökologische Relevanz von Mikro-BHKWs in privaten Haushalten.
Schlüsselwörter
Blockheizkraftwerk, BHKW, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, Wirtschaftlichkeitsanalyse, Annuitätenmethode, Mikrogasturbine, Stirlingmotor, Gas-Ottomotor, Energieeffizienz, Primärenergieeinsparung, Lastprofil, Investitionsrechnung, Förderbedingungen, Energiewende.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundlegende Konzept dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht die technische Funktionsweise und die ökonomische Rentabilität von kleinen Blockheizkraftwerken (Mikro-BHKWs) in Ein- und Zweifamilienhäusern.
Welche Technologien werden für den Antrieb der BHKWs betrachtet?
Im Fokus stehen insbesondere Gas-Ottomotoren und Stirlingmotoren, ergänzt durch die Mikrogasturbine als technologische Alternative.
Was ist das primäre Ziel der Analyse?
Ziel ist es zu beurteilen, ob sich die Anschaffung eines Mikro-BHKWs für einen privaten Haushalt finanziell rechnet, wenn man alle Kosten, Erlöse und Förderungen über die Laufzeit betrachtet.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Wirtschaftlichkeitsrechnung genutzt?
Der Autor verwendet die Annuitätenmethode gemäß VDI-Richtlinie 2067, um einmalige und laufende Kosten sowie Erlöse vergleichbar zu machen.
Wie werden die Energiebedarfe des Haushaltes modelliert?
Die Modellierung basiert auf den Referenzlastprofilen der VDI-Richtlinie 4655, die minutengenaue Bedarfe für elektrische und thermische Energie für unterschiedliche Typ-Tage liefern.
Welche Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit am stärksten?
Besonders entscheidend sind die Arbeitspreise für Strom und Gas sowie die Anzahl der jährlichen Betriebsstunden; der Strompreis hat dabei einen deutlich stärkeren Einfluss als der Gaspreis.
Wie wirkt sich ein Pufferspeicher auf den Betrieb aus?
Ein Speicher entkoppelt die Wärmeerzeugung vom direkten Wärmebedarf, erhöht die Laufzeit des BHKWs und verbessert somit die Eigenstromnutzung und die Wirtschaftlichkeit.
Ist ein BHKW in einem Niedrigenergiehaus sinnvoll?
Aufgrund des sehr geringen Wärmebedarfs in modernen Niedrigenergiehäusern wären die hier betrachteten Standard-Motor-BHKWs oft überdimensioniert, weshalb der Autor hier eher auf Brennstoffzellentechnologien verweist.
Welche Rolle spielt die gesetzliche Förderung?
Die Förderung, etwa durch das KWK-Gesetz und den BAFA-Zuschuss, ist essenziell für die Wirtschaftlichkeit, da sie hilft, die hohen initialen Investitionskosten der kleinen Anlagen auszugleichen.
Wie lässt sich die Amortisationszeit verkürzen?
Durch Maßnahmen wie Lastmanagement, den Verkauf von Strom an Nachbarn oder die Nutzung von Abwärme für Absorptionskälteanlagen kann die Wirtschaftlichkeit gesteigert und die Amortisationszeit verkürzt werden.
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- Fabian Wälter (Author), 2014, Wirtschaftlichkeitsanalyse über Mikro-Blockheizkraftwerke für Ein- und Zweifamilienhäuser, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/309171
