Einsatz von Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau; ökonomische, energetische und ökologische Analysen

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

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.