Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
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
Symbolverzeichnis
Literaturverzeichnis
Abbildung 1-1: Vergleich zwischen getrennter Erzeugung und KWK
Abbildung 2-1: Schematisches BHKW mit Gas-Ottomotor
Abbildung 2-2: Einbindung eines Mikro-BHKWs in ein Wohngebäude.
Abbildung 2-3: Monatlicher relativer Energiebedarf
Abbildung 3-1: Innenpol- und Permanentmagnet-Generator
Abbildung 3-2: Funktionsweise eines Viertakt-Ottomotors
Abbildung 3-3: p-V-Diagramm eines idealen Ottomotors
Abbildung 3-4: Funktionsweise des Beta-Stirlingmotors
Abbildung 3-5: Idealer Stirling-Prozess im p-V-Diagramm
Abbildung 3-6: Stirligmotor Vitotwin 350-W
Abbildung 3-7: Prinzip eines BHKWs mit Mikrogasturbine
Abbildung 3-8: Idealer Joule-Prozess im T-S-Diagramm
Abbildung 4-1: Lastprofil Sommer-Werktag
Abbildung 4-2: Lastprofil Winter-Werktag
Abbildung 4-3 Lastprofil Übergangszeit-Werktag
Abbildung 4-4: Lastprofil Sonn- und Feiertag
Abbildung 4-5: Geordnete Jahresdauerlinie der thermischen Leistung
Abbildung 4-6: Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse
Abbildung 4-7: Auftretende Kosten in 15 Jahren
Abbildung 4-8a: Einfluss des Gaspreises auf die Wirtschaftlichkeit
Abbildung 4-8b: Einfluss des Strompreises auf die Wirtschaftlichkeit
Abbildung 4-9: Erlöse durch das BHKW in 15 Jahren
Abbildung 4-10: Einfluss des KWK-Zuschlags auf die Wirtschaftlichkeit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2-1: Einstufung von BHKWs
Tabelle 3-1: Übersicht ausgewählter BHKWs mit Ottomotor
Tabelle 3-2: Übersicht über BHKWs mit Stirlingmotor
Tabelle 3-3: BHKWs auf Basis einer Mikrogasturbine
Tabelle 4-1: Basisförderung für kleine KWK-Anlagen
Tabelle 4-2: Gewichtete Faktoren der Klimazone 5
Tabelle 4-3: Überblick über das BHKW EcoPower 1.0
Tabelle 4-4: Gebäude- und Verbrauchsdaten
Tabelle 4-5: Investitionsgrundlagen
Tabelle 4-6: Preise für elektrische Energie und Gas
Tabelle 4-7: Analyseergebnisse der Energieträger
Energie ist seit jeher ein notwendiges Gut für die Menschheit. Während sie früher ausschließ- lich durch Nahrung verbraucht wurde, bestimmen elektrische und thermische Energie mitt- lerweile maßgeblich den Lebensstandard der Menschheit. Um diesen Standard aufrechtzu- erhalten, wird durch die zukünftig wachsende Weltbevölkerung auch entsprechend mehr Energie benötigt, wobei jedoch viele Primärenergieträger wie Erdöl oder -gas endlich sind. Vor diesem Hintergrund, dem steigenden Energiebedarf und den aktuellen Bemühungen um den Umweltschutz ist es notwendig, die vorhandenen Energieressourcen möglichst effizient und rationell zu nutzen. Ein Weg dieser effizienten Nutzung ist die Minimierung von Energie- verlusten, die in vielen Umwandlungsprozessen auftreten. Hohe Verluste thermischer Ener- gie treten beispielsweise in der konventionellen Energieversorgung auf: Bei Umwandlungs- prozessen in Kraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie werden große Mengen Wärme- energie, die bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehen, ungenutzt an die Umge- bung abgeführt. Dadurch wird die dem Kraftwerk zugeführte Energie der Brennstoffe nur zu einem gewissen Teil in Form von elektrischer Energie effektiv genutzt. Ein Maß für die Effizi- enz der Energieumwandlungsprozesse ist der energetische Wirkungsgrad, der das Verhältnis aus nutzbarer und zugeführter Energie ausdrückt. Er erreicht in modernen Kohlekraftwerken typische Werte von 40 bis 45 Prozent, wodurch die restlichen 55 bis 60 Prozent der chemi- schen Energie des Brennstoffes auf abgeführte thermische Energie an die Umgebung entfal- len [1, S. 241].
Im Jahr 2013 entfielen etwa 45 Prozent der Bruttostromerzeugung in Deutschland auf Stein- kohle- und Braunkohlekraftwerke, wodurch sich mit höheren Wirkungsgraden für diese Kraftwerke große Einsparpotentiale realisieren ließen[2]. Problematisch ist jedoch, dass sich die elektrischen Wirkungsgrade aufgrund technischer Bedingungen nicht nennenswert stei- gern lassen.1 Um die Effizienz dieser Kraftwerke zu erhöhen und somit den Primärenergie- einsatz dauerhaft zu senken, muss es andere Wege geben. Eine dieser Möglichkeiten, Energie effizienter zu nutzen, ist die gleichzeitige Erzeugung von elektrischer und thermischer Ener- gie. Hinter dieser Kuppelproduktion verbirgt sich die Idee, die Abwärme zu nutzen, die bei der Erzeugung von elektrischer Energie durch Verbrennung im Kraftwerk entsteht. Diese thermische Energie kann zur Erwärmung von Wasser, zur Beheizung von Räumen oder in der Industrie als Prozesswärme, beispielsweise zum Trocknen, genutzt werden. Somit ist für diese thermische Energie keine zusätzliche Primärenergie in einem weiteren Energieumwandlungsprozess erforderlich. Dieser Prozess der gekoppelten Erzeugung wird als KraftWärme-Kopplung (KWK) bezeichnet und kann entweder zentral in großen Kraftwerken oder dezentral in kleineren Anlagen verbrauchernah realisiert werden.
Bei der zentralen KWK in einem Heizkraftwerk (HKW) muss die im Kraftwerk erzeugte elekt- rische und thermische Energie zum Verbraucher transportiert werden. Für die elektrische Energie geschieht dieser Transport in der Regel unter hoher Spannung über Freileitungen. Für den Wärmetransport bis hin zum Verbraucher bedarf es einem entsprechend wärmege- dämmten Rohrsystem. Trotz der Dämmung sind die Wärmeverluste nicht unerheblich, wes- halb die Rohrleitungen sinnvollerweise auf eine Länge von etwa 30 Kilometer begrenzt wer- den[3]. Aufgrund dieser Einschränkung kommen nur dicht besiedelte Wohngebiete oder In- dustrieanlagen in unmittelbarer Nähe des Kraftwerkes in Betracht. Für Kernkraftwerke kann eine Kraft-Wärme-Kopplung wegen ihrer Lage weit außerhalb von Wohngebieten nicht rea- lisiert werden.
Die angesprochenen Vorteile der KWK können auch dezentral, also in der Nähe des Verbrau- chers realisiert werden, wodurch der Bau gedämmter Rohrleitungssysteme zum Energie- transport überflüssig wird. Ein Spezialfall der dezentralen KWK sind Blockheizkraftwerke (BHKW). In diesen Anlagen findet der gleiche Prozess wie in einem vergleichbaren konventi- onellen Kraftwerk statt: Durch die Verbrennung eines Brennstoffes wird ein Motor angetrie- ben, der wiederum einen Generator antreibt und somit elektrische Energie erzeugt. Analog zu einem großen HKW kann auch in dieser Anlage ungenutzte thermische Energie für die Raumheizung oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Die thermische Energie wird über Wärmetauscher an einen Sekundärkreislauf übertragen und wird somit für den Ver- braucher nutzbar gemacht. Blockheizkraftwerke sind auf dem Markt schon ab einer elektri- schen Leistung von einem Kilowatt bis hin zu etwa 18 Megawatt verfügbar. Entsprechend ihrer elektrischen Leistung können sie in Nano-, Mikro-, Mini-, und Groß-BHKWs unterschie- den werden. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf Mikro-BHKWs, die in Ein- und Zwei- familienhäusern eingesetzt werden. Als allgemeine Voraussetzung für den Einsatz eines BHKWs gilt der möglichst ganzjährige Bedarf an elektrischer und thermischer Energie, der idealerweise zeitgleich besteht. Aus diesem Grund werden größere BHKWs auch häufig in Hotels, Krankenhäusern oder EDV-Zentren eingesetzt[4].
Die wesentlichen Vorteile eines BHKWs sind die Kraft-Wärme-Kopplung und ihre unmittelbare Nähe zum Verbraucher. Die erzeugte elektrische Energie kann direkt vom Verbraucher bezogen werden und überschüssige elektrische Energie wird ins vorgelagerte Netz des regionalen Energieversorgers eingespeist. BHKWs können direkt an das bestehende Wärmenetz im Haus angeschlossen werden, wodurch sie dem Verbraucher die benötigte thermische Energie für die Bereitung von Warmwasser und die Raumheizung liefern. Durch die gleichzeitige Nutzung der elektrischen und thermischen Energie erreichen (Blockheiz-)Kraftwerke durch die KWK Gesamtwirkungsgrade von teilweise über 90 Prozent. Im Vergleich zur getrennten Erzeugung können somit erhebliche Mengen Primärenergie eingespart werden, wie in nachfolgender Abbildung modellhaft verdeutlicht wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1-1: Vergleich zwischen getrennter Erzeugung und KWK. Eigene Darstellung.
Eine Primärenergieeinsparung setzt jedoch voraus, dass beide Energieformen genutzt wer- den. Um dies zu gewährleisten, kann der Betrieb eines BHKWs entweder abhängig vom ther- mischen oder vom elektrischen Energiebedarf erfolgen. Durch die eingesparte Primärenergie werden weiterhin Emissionen wie CO2 und SO2 reduziert. Im Auftrag des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) wurde im Jahr 2013 ein Bericht veröffentlicht, in dem die KWK als eines der wichtigsten Instrumente zur Erreichung der angestrebten Minderung der CO2 -Emissionen angesehen wird[5].
Um von den Vorteilen der KWK zu profitieren, verfolgt die Bundesrepublik Deutschland das Ziel, den Anteil elektrischer Energie aus Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung bis zum Jahr 2020 auf 25 Prozent zu erhöhen. Aus diesem Grund trat im Jahr 2002 ein Gesetz in Kraft, welches zahlreiche Fördermechanismen für KWK-Anlagen beinhaltet. Da im Zeitraum von 2002 bis 2010 der Anteil von elektrischer Energie aus KWK-Anlagen von 14,5 auf lediglich 16 Prozent gestiegen ist und unter Beibehaltung der aktuellen Fördermechanismen ein Anstieg bis zum Jahr 2020 auf lediglich 20 Prozent prognostiziert wird, wurde das Gesetz im Jahr 2012 novelliert, um neue Anreize zu schaffen[6]. In der aktuellen Fassung sind verschiedene För- dermöglichkeiten, von einer Einspeisevergütung und einem KWK-Zuschlag auf selbst er- zeugte elektrische Energie, bis hin zur Befreiung der Strom- und Energiesteuer implemen- tiert. Es stellt sich allerdings die Frage, ob diese staatlichen Fördermaßnahmen ausreichen, um den Einsatz von Mikro-BHKWs für Ein- oder Zweifamilienhäuser wirtschaftlich zu gestal- ten. Da es sich bei KWK-Anlagen um langfristige und teure Investitionen handelt, muss der Anschaffung eine sorgfältige Kalkulation über sämtliche Kosten und Erlöse vorausgehen. Werden nicht alle Energie- und wirtschaftspolitischen Rahmenbedingungen berücksichtigt, kann die Anschaffung eines BHKWs zu einer Fehlinvestition führen.
In dieser Arbeit werden zunächst technischen Grundlagen von Blockheizkraftwerke erläutert. Neben dem Aufbau, der Betriebsweise und den Einsatzmöglichkeiten liegt der Schwerpunkt auf den eingesetzten Generatoren und Motoren. Im nachfolgenden Kapitel wird die Wirt- schaftlichkeit eines Mikro-BHKWs für ein Zweifamilienhaus in Abhängigkeit variabler Para- meter analysiert. Zunächst werden alle Vergütungs- und Fördermöglichkeiten für ein Mikro- BHKW erläutert. Anhand typischer Tageslastgänge elektrischer und thermischer Energie in verschiedenen Jahreszeiten für ein modellhaftes Zweifamilienhaus wird mittels der geordne- ten Jahresdauerlinie die Leistung des BHKWs dimensioniert. Mit Microsoft Excel wird an- schließend eine Wirtschaftlichkeitsanalyse erstellt, die zeigen soll, unter welchen Bedingun- gen sich die Anschaffung eines BHKWs rentiert. Aufgrund der preislichen Schwankungen ist in diesem Kontext insbesondere eine Variation der Preise der leitungsgebundenen Energie- träger wie Gas oder elektrischer Energie interessant. Aussagen über die Wirtschaftlichkeit werden durch einen Vergleich mit einem Referenzfall herbeigeführt. In diesem Referenzfall wird von einem reinen Netzbezug der elektrischen Energie und einer Wärmeenergieerzeu- gung durch einen Gas-Brennwertkessel ausgegangen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Wirtschaft- lichkeit für ein Mikro-BHKW unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren für die Investi- tion und unter Annahme repräsentativer Tageslastgänge für ein Zweifamilienhaus hinrei- chend genau abzuschätzen.
Unter einem Blockheizkraftwerk wird allgemein eine stationäre Anlage bezeichnet, die einen zugeführten Brennstoff in einem Verbrennungsprozess gleichzeitig in verschiedene für den Verbraucher nutzbare Energien, üblicherweise elektrische und thermische Energie, umwan- delt[7]. Das Prinzip der gleichzeitigen Erzeugung beruht auf der Kraft-Wärme-Kopplung, die zu hohen Gesamtwirkungsgraden führt. Die Grundzüge der KWK und wie diese im BHKW re- alisiert wird, wird im weiteren Verlauf dieses Kapitels erläutert. Blockheizkraftwerke zeich- nen sich durch ihre verbrauchernahe Lage aus, wodurch die erzeugten Energien ohne nen- nenswerte Transportverluste dem Endverbraucher zugeführt werden können. Kleine Anla- gen können durch ihre überschaubare Größe innerhalb von Gebäuden aufgestellt und prob- lemlos an das vorhandene Heizungssystem angeschlossen werden. Der Name beruht darauf, dass sie als „Block“ zusammengebaut, geliefert und betrieben werden[8]. Es handelt sich somit bei Blockheizkraftwerken um komplette Anlagen, die auf dem Markt bereits ab einer elektrischen Leistung von einem Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt verfügbar sind. Ba- sierend auf der innovativen Technologie der Brennstoffzelle hat das Münchener Unterneh- men elcore sogar ein noch kleineres BHKW entwickelt, welches über eine elektrische Leistung von 300 Watt verfügt und zur Grundversorgung eines Einfamilienhauses dienen soll[9]. Eine einheitliche Abstufung in verschiedene Leistungsklassen gibt es bislang nicht, weshalb in der nebenstehenden Tabelle eine gängige Einstufung der Leistungsklassen nach den Anwendungsbereichen erfolgt[10]. Die kleinste Kategorie bilden die Nano- BHKWs, deren elektrische Leistung zwischen 1 und 2,5 liegt. Sie werden überwiegend zur Wärme- versorgung in Einfamilienhäusern, vereinzelt auch in Zweifamilienhäusern, eingesetzt. Die nächstgrößere
Tabelle 2-1: Einstufung von BHKWs Klasse [kW]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Klasse bilden die Mikro-BHKWs, deren elektrische Leistung von 2,5 bis 15 Einsätze in Zwei -und Mehrfamilienhäusern ermöglicht. Anlagen größerer elektrischer Leistung aber mit weniger als 50 werden als Mini-BHKW und ab 50 als Groß-BHKW bezeichnet. Diese werden vorwiegend in größeren Nutzgebäuden wie Krankenhäusern oder Hotels sowie in der Industrie eingesetzt[10].
Die Hauptkomponenten eines BHKWs sind ein Antriebsaggregat, ein Generator und ein Wär- metauscher. 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 Ottomo- tor auch der Stirlingmotor, der Diesel-Motor und die Gasturbine zählen. Zum anderen kön- nen auch Brennstoffzellen eingesetzt werden, die sich derzeit noch überwiegend in der Test- phase befinden. Der Brennstoffzelle kommt aufgrund ihrer emissionsfreien Betriebsweise in der Zukunft eine bedeutende Rolle zu. Durch einen elektrochemischen Prozess wird die ein- gesetzte Energie direkt in elektrische und thermische Energie umgewandelt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2-1: Schematisches BHKW mit Gas-Ottomotor. Eigene Darstellung.
Auf die grundlegende Funktionsweise der verschiedenen Motoren, der Gasturbine und der Generatoren und der daraus resultierenden Vor- und Nachteile für ein BHKW wird im nächs- ten 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. Für den Generator kommen prinzipiell Synchron- oder Asyn- chrongeneratoren in Betracht, wobei die Wahl des Generators von der elektrischen Leistung und der Betriebsweise des BHKWs abhängt. Die erzeugte elektrische Energie des Generators kann entweder direkt vom Verbraucher zur Eigenbedarfsdeckung genutzt oder in das elekt- rische Netz eingespeist werden. Bei einer Generatorleistung bis zu einem Megawatt kann die Einspeisung direkt in das Niederspannungsnetz erfolgen, bei größeren Anlagen erfolgt die Einspeisung an der nächsten Transformatorstation in das Mittelspannungsnetz[4]. Block- heizkraftwerke dienen jedoch nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie, sondern zeichnen sich durch eine gekoppelte Erzeugung elektrischer und thermischer Energie durch das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung aus. Beim Antrieb im Fahrzeug wird im Motor nur etwa ein Drittel der Brennstoffenergie in mechanische Energie umgewandelt, die übrigen zwei Drittel werden als ungenutzte thermische Energie über die Abgase und das Kühlmittel als Verluste an die Umgebung abgeleitet, um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden[4]. In einem BHKW kann diese thermische Energie mithilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher in einen sekun- dären Kreislauf überführt und somit für den Verbraucher nutzbar gemacht werden. Die Mo- torabgase, die im Verbrennungsmotor Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius erreichen, werden durch einen Wärmetauscher geführt, wodurch die Abgase einen Teil ihrer thermi- schen Energie an das Fluid im Sekundärkreislauf übertragen. Die Abgase werden anschlie- ßend durch einen Katalysator gereinigt und über den Schornstein an die Umgebung abgelei- tet. Durch einen weiteren Wärmetauscher wird ein Teil der thermischen Energie des Motor- kühlmittels, welches in der Regel Wasser ist, ebenfalls an einen Sekundärkreislauf übertra- gen. Der Massenstrom des Motorkühlwassers wird so dimensioniert, dass seine Temperatur nach Verlassen des Motors etwa 90 Grad Celsius beträgt [1, S. 248]. Nach dem nachgeschal- teten Wärmetauscher liegt das Temperaturniveau des Kühlwassers bei etwa 70 Grad Celsius und kann somit wieder zur Kühlung des Motors beitragen. Eine ungefähre Temperatur von
70 bis 80 Grad Celsius gilt allgemein als Obergrenze, um die sichere Kühlung und somit den Betrieb des Motors zu gewährleisten. In kleineren Anlagen wird aus wirtschaftlichen Grün- den nur ein Sekundärkreislauf verwendet, dem sowohl durch die Abgase als auch durch das erwärmte Motorkühlmittel thermische Energie zugeführt wird[4]. Der Sekundärkreislauf ist mit einem Wärmespeicher verbunden, in dem das erwärmte Wasser bis zur Entnahme des Verbrauchers gespeichert wird. In größeren BHKWs in der Industrie werden Abgase und Kühl- mittel separat ausgekoppelt und die thermische Energie zwei unabhängigen Sekundärkreis- läufen zugeführt. Aufgrund der hohen Temperaturen der Abgase können diese in einem Ab- hitzekessel zur Dampferzeugung verwendet werden. Der Dampf kann in der Industrie als Pro- zesswärme verwendet werden. Das Kühlwasser dient wie in einem kleinen BHKW aufgrund seiner geringeren Temperatur zur Bereitung von Warmwasser, welches dem Wärmespeicher zugeführt wird[4]. Die Flüssigkeit im Sekundärkreislauf ist in der Regel Wasser, welches durch die Zuführung thermischer Energie auf bis zu 90 Grad Celsius aufgeheizt wird. Dieses Temperaturniveau ist für die Wärmeversorgung eines Gebäudes durch Warmwasser und die Gebäudeheizung optimal. Höhere Temperaturen können nur mithilfe einer zusätzlichen Wär- mepumpe erreicht werden. Der Wärmetauscher für die Auskopplung der thermischen Ener- gie im des Kühlwassers ist kostengünstig und einfach herzustellen, da sowohl die wärmeab- gebende, als auch die wärmeaufnehmende Flüssigkeiten Wasser sind. In der Regel kann für diesen ein einfacher Plattenwärmetauscher eingesetzt werden [1, S. 248].
Abbildung 2-2 veranschaulicht die Einbindung eines Mikro-BHKWs in Kombination mit einem Wärmespeicher und einem Zusatzheizgerät in ein Einfamilienhaus. Das BHKW ist parallel zu einem Heizgerät geschaltet und speist mit der erzeugten thermischen Energie über den Se- kundärkreislauf den Speicher. Reicht diese Energie nicht aus, so wird das ebenfalls gasbetrie- bene Heizgerät hinzugeschaltet. Das erwärmte Wasser im Speicher kann anschließend vom Verbraucher für die Heizung genutzt werden. Nachdem es seine thermische Energie im Heiz- kreislauf durch die Heizkörper an das Gebäude abgegeben hat, fließt das abgekühlte Wasser zurück in den Speicher. Von dort aus wird es erneut im Sekundärkreislauf durch das BHKW oder das Heizgerät erwärmt und dem Speicher zugeführt, sodass ein geschlossener Kreislauf entsteht. Zur Erwärmung von Trinkwasser wird dieses in vielen Windungen durch den Spei- cher geführt, wodurch ihm thermische Energie aus dem Wasser des Speichers übertragen wird. Die erzeugte elektrische Energie im BHKW wird vorrangig für elektrische Geräte des Verbrauchers genutzt und überschüssige Energie wird in das Niederspannungsnetz einge- speist. Die Abgase, die aufgrund des Verbrennungsprozesses im BHKW und im Heizgerät ent- stehen, werden gereinigt und gemeinsam über den Schornstein an die Atmosphäre abgelei- tet. Die Reinigung der Abgase wird in Abhängigkeit vom Luftgehalt in Kapitel 3 thematisiert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2-2: Einbindung eines Mikro-BHKWs in ein Wohngebäude. Quelle:[11].
Durch die gleichzeitige Nutzung elektrischer und thermische Energie werden in einem BHKW hohe Gesamtwirkungsgrade erreicht, die sich je nach Leistungsklassen unterscheiden. Wäh- rend kleine Anlagen bis zu einer elektrischen Leistung von 10 einen üblichen elektrischen Wirkungsgrad von 20 bis 30 Prozent erreichen, kann dieser bei größeren BHKWs im Bereich von 35 bis hin zu 50 Prozent liegen[12]. Die thermischen Wirkungsgrade liegen für kleine Anlagen im Bereich von 80 Prozent und sinken mit zunehmender elektrischer Leistung auf bis zu 30 Prozent für Groß-BHKWs, wodurch sich für alle Leistungsklassen Gesamtwirkungs- grade von etwa 80 bis 90 Prozent ergeben. Diese Zahlenwerte sollen als Orientierung dienen und können sich je nach verwendetem Motor und Brennstoff unterscheiden. Insbesondere Stirlingmotoren erreichen teilweise Gesamtwirkungsgrade von über 95 Prozent, wie im wei- teren Verlauf dieser Arbeit gezeigt wird[12].
Um ein Blockheizkraftwerk hinreichend zu beschreiben, werden in Anlehnung an die Richtli- nien 4661 und 4608 des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) diverse energetische Kennzahlen herangezogen. Die wichtigsten Kennzahlen dieser Richtlinien werden im Folgenden erläutert und definiert [13; 14].
Ausnutzungsdauer [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Die Ausnutzungsdauer berechnet sich entweder aus dem Quotienten der abgegebenen elektrischen Energiemenge und der elektrischen Nennleistung oder alternativ aus dem Quotienten der abgegebenen thermischen Energiemenge und der thermischen Nennleis- tung einer Anlage für einen bestimmten Zeitabschnitt. Die Ausnutzungsdauer ist auch unter dem Begriff der Volllaststunden bekannt und beschreibt die Auslastung einer Anlage über einen gewählten Zeitraum.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Benutzungsgrad [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Der Benutzungsgrad, oder auch Belastungsgrad, ist der Quotient aus der Benutzungsdauer und dem Zeitraum , in welchem die Benutzungsdauer erreicht wurde. Für ein BHKW kann somit anhand der Betriebsstunden der Benutzungsgrad errechnet werden. Um in einem Jahr ( = 8760 ) beispielsweise einen Benutzungsgrad von 70 Prozent zu erreichen, muss das BHKW jährlich etwa 6130 Stunden in Betrieb sein.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Brennstoffausnutzungsgrad [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Bei einer gekoppelten Energieerzeugung, wie es bei einem BHKW durch die KWK der Fall ist, wird der energetische Gesamtwirkungsgrad auch als Brennstoffausnutzungsgrad bezeichnet. Er beschreibt das Verhältnis der abgegebenen zur zugeführten Leistung. Die abgegebene Leistung setzt sich aus der abgegebenen thermischen Leistung und der elektrischen Leis- tung zusammen während sich die zugeführte Leistung aus dem Produkt aus Brennstoffmassenstrom und dem Heizwert berechnen lässt. Der Brennstoffausnutzungsgrad hängt vom jeweiligen Lastzustand der Anlage ab und muss somit für jeden Betriebszustand angegeben werden. Er kann auch als Summe der „Wärmeausbeute“ und der „Stromausbeute“ dargestellt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wärmeausbeute [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Die Wärmeausbeute wird aus dem Quotienten der abgegebenen thermischen Leistung zur zugeführten Leistung des Brennstoffes berechnet. Somit stellt die Wärmeausbeute auch den thermischen Wirkungsgrad ℎ dar, wobei im weiteren Verlauf dieser Arbeit nur noch letztere Bezeichnung verwendet wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Stromausbeute [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Die Stromausbeute wird aus dem Quotienten der elektrischen Leistung und der zugeführ- ten Brennstoffleistung berechnet. Analog zur Wärmeausbeute stellt die Stromausbeute den elektrischen Wirkungsgrad dar und wird im weiteren Verlauf dieser Arbeit so be- zeichnet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Mittlerer Brennstoffausnutzungsgrad [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Der mittlere Brennstoffausnutzungsgrad setzt im Gegensatz zum Brennstoffausnutzungsgrad nicht die abgegebene und zugeführte Leistung, sondern nutzbar abgegebene und zugeführte Energien in einem Zeitraum ins Verhältnis. Die Summe aus elektrischer Energie und ther- mischer Energie entspricht der abgegebenen Energie, während das Produkt aus zugeführ- ter Brennstoffmasse und dem Heizwert der zugeführten Energie einer Periode ent- spricht. Wenn sich in dieser Periode der Betriebszustand der Anlage nicht erheblich ändert, ist der mittlere Brennstoffausnutzungsgrad identisch mit dem Brennstoffausnutzungsgrad.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Stromkennzahl [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Die Stromkennzahl stellt das Verhältnis der elektrischen Leistung zur thermischen Leistung dar. Sie beschreibt, in welchem Verhältnis die beiden Energien zueinander erzeugt werden. Für → 0 wird fast ausschließlich thermische Energie und für → ∞ fast ausschließlich elektrische Energie erzeugt. Der Kehrwert der Stromkennzahl wird auch als Wärmekennzahl bezeichnet. Bei der Stromkennzahl wird weiterhin zwischen Erzeuger und Verbraucher wie folgt unterschieden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Brennstoff ist die gebundene chemische Energie enthalten, die beim Energieumwand- lungsprozess im BHKW in thermische und mechanische Energie umgewandelt wird. Neben gasförmigen und flüssigen können in einem BHKW auch feste Brennstoffe wie Biomasse (Holzpellets oder Hackgut) eingesetzt werden. Die nachfolgende Tabelle der Arbeitsgemein- schaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) zeigt die Verteilung der eingesetzten Energieträger von mehr als 90 Prozent aller Blockheizkraftwerke in Deutsch- land aus dem Jahr 2014. Der Einsatz gasförmiger Brennstoffe, insbesondere Erdgas, ist der- zeit die häufigste Variante, wie der Statistik entnommen werden kann.
Tabelle 2-2: BHKWs nach eingesetzten Brennstoffen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gasförmige Brennstoffe:
Unter den gasförmigen Brennstoffen kommen Erdgas, Biogas, Klär-und Deponiegas in Be- tracht. Erdgas bildet innerhalb der gasförmigen Brennstoffe den größten Anteil, da es prob- lemlos in allen gängigen Gasmotoren und in einer Gasturbine eingesetzt werden kann. Des Weiteren wird durch ein gut ausgebautes Verteilungsnetz eine sichere Versorgung mit die- sem Primärenergieträger gewährleistet [15, S. 21]. Deponiegase, welche durch anaerobe Zer- setzung auf Deponien entstehen, enthalten oft siliziumorganische Spurenverbindungen. Bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen kann aus diesen Spurenverbindungen Siliziumdi- oxid (SIO2) entstehen, welches sich im Motorraum ablagert und somit zu höherem Verschleiß führt[16]. Um dies zu vermeiden, muss das Gas vorher gereinigt werden. Bei der Verbren- nung von Klärgasen ist zuvor ebenfalls eine Reinigung in Form einer Entschwefelung notwen- dig, da im Klärgas große Mengen Schwefelwasserstoff (H2S) enthalten sind. Klärgase entste- hen in Faultürmen aus Klärschlamm und zählen somit zu den Biogasen. Bei vielen weiteren Biogasen ist zudem eine Verbrennung aufgrund des zu geringen Methananteils im Gasmotor nicht möglich. In diesem Fall werden häufig Zündstrahlmotoren eingesetzt, in denen dem Gas-Luft-Gemisch eine geringe Menge flüssigen Brennstoffes zur Zündung hinzugefügt wird [17].
Feste Brennstoffe:
Bei einem Einsatz eines Stirlingmotors können auch feste Brennstoffe eingesetzt werden. Da bei diesem Motor die thermische Energie extern zugeführt wird, kommt prinzipiell jeder Brennstoff in Frage. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen sind unter den festen Brennstoffen Holzpellets und Hackgut bislang am Markt am meisten verbreitet[10]. Weiter- hin besteht die Möglichkeit eines Holzvergasers, in dem Holz in mehreren Schritten zu Holz- gas umgewandelt wird. Mit diesem Holzgas kann ein Gasmotor betrieben werden, wobei aufgrund des geringen Heizwertes ein Zündstrahlmotor oder eine doppelte Zündanlage ein- gesetzt werden muss[18].
Flüssige Brennstoffe:
In einem BHKW können auch flüssige Brennstoffe wie Heizöl oder regeneratives Pflanzenöl eingesetzt werden. Da die Viskosität, also die Zähflüssigkeit dieser Brennstoffe oft ein großes Problem darstellt, können diese nur in speziellen, langsamen Dieselmotoren verbrannt wer- den[17]. Der größte Anteil der flüssigen Brennstoffe wird durch leichtes Heizöl gedeckt, wel- ches eine hohe Energiedichte besitzt und zugleich durch die geringere Viskosität in üblichen Dieselmotoren eingesetzt werden kann. Da generell von einem steigenden Ölpreis in der Zu- kunft ausgegangen wird und Öl höhere spezifische CO2-Emissionen aufweist, ist der Einsatz des umweltschonenderen Erdgases häufiger anzutreffen [19, S. 30]. Flüssige Brennstoffe werden häufig dann eingesetzt, wenn die örtlichen Gegebenheiten den Einsatz von Erdgas nicht ermöglichen.
Um den Einsatz eines BHKWs in wirtschaftlicher Hinsicht rentabel zu gestalten, ist grundsätz- lich ein überwiegend ganzjährlicher Bedarf an elektrischer und thermischer Energie erforder- lich. Durch die gekoppelte Erzeugung der beiden Energien ist es vorteilhaft, wenn ein gleich- zeitiger Bedarf des Verbrauchers besteht, um sowohl die erzeugte thermische als auch elekt- rische Energie optimal nutzen zu können. Weiterhin haben die erreichten Jahresbenutzungs- stunden eines BHKW erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, damit durch möglichst viel erzeugte elektrische Energie und daraus resultierenden vermiedenen Bezugskosten die Investitionskosten refinanziert werden können. Um dies zu erreichen, werden Blockheiz- kraftwerke generell für die Versorgung der Grundlast an elektrischer und thermischer Ener- gie ausgelegt[4].
Einige typische Anwendungsgebiete sind Krankenhäuser, Hotels, Schwimmbäder, Industrie- anlagen oder Wohnsiedlungen. Besonders Krankenhäuser begünstigen durch zahlreiche Fak- toren den Einsatz von Blockheizkraftwerken: Es besteht ein hoher Raumwärme- und ein ganzjähriger Warmwasserbedarf. Des Weiteren benötigen Krankenhäuser große Mengen an elektrischer Energie mit einer konstanten Grundlast, die für Pumpen und Lüftungsanlagen benötigt wird. Die Nachfrage nach elektrischer Energie tritt zudem häufig gleichzeitig mit dem Bedarf nach thermischer Energie auf. In den Sommermonaten, in denen wenig Raum- wärme benötigt wird, kann die im BHKW erzeugte thermische Energie zum Antrieb einer Ab- sorptionskälteanlage genutzt werden. Diese erzeugt Kälteenergie, die für die Klimatisierung der Operationssäle und der Patientenzimmer verwendet wird. Zuletzt können installierte BHKWs in Krankenhäusern als Notstromaggregat dienen, wodurch bei einem Ausfall des Ver- sorgungsnetzes weiterhin die elektrische Grundlast gedeckt werden kann. Für Krankenhäu- ser sind die Bedingungen für den Einsatz von Blockheizkraftwerken optimal, weswegen sich diese laut einer Analyse der ASUE schon bereits nach vier bis sechs Jahren amortisieren. Nach dieser Amortisationszeit ergeben sich Kostenersparnisse gegenüber dem getrennten Bezug elektrischer und thermischer Energie von etwa 20 Prozent [20, S. 9].
Im Vergleich zum Krankenhaus liegt in einem Wohngebäude ein deutlich geringerer Energie- bedarf vor, wobei elektrische und thermische Energie im Tagesverlauf oftmals nicht gleich- zeitig benötigt werden. Abbildung 2-3 zeigt den monatlichen thermischen und elektrischen Energiebedarf als Anteil des jeweiligen Jahresenergiebedarfs für einen Zeitraum von 12 Mo- naten. Es wird deutlich, dass der Bedarf nach thermischer Energie (orange) in den Sommer- monaten um ein vielfaches geringer ist als in den übrigen Monaten, da im Sommer durch die höhere Außentemperatur keine oder nur sehr wenig Energie zum Beheizen der Räume be- nötigt wird. Durch das Warmwasser besteht im Sommer trotzdem ein annähernd konstanter Bedarf an thermischer Energie, da die Nachfrage nach Warmwasser im Gegensatz zur Raum- wärme überwiegend temperaturunabhängig ist. Der Bedarf an elektrischer Energie (blau) un- terliegt nur einer geringen saisonalen Schwankung, die unter anderem durch den geringeren Bedarf zur Beleuchtung im Sommer hervorgerufen wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[...]
1 Der theoretisch maximale Wirkungsgrad ist durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt.
