Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der technischen Auslegung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Block-Heizkraftwerk-Anlagen (BHKW). Anhand eines praktischen Beispiels wird der mögliche Einsatz eines BHKW für die Energieversorgung eines Krankenhauses unter technischen, wirtschaftlichen und klimatechnischen Gesichtspunkten untersucht. Bei dem betrachteten Objekt handelt es sich um die Muster-Klinik in Musterhausen. Der Verfasser wählte dieses Krankenhaus für seine Studie aus, da einerseits in seinem Arbeitsbereich bei der XYZ AG ein entsprechender Bedarf für eine neue Energieversorgung bei den Muster-Kliniken vorlag und die Thematik andererseits anhand des ganzjährigen Energiebedarfs von Krankenhäusern gut veranschaulicht werden kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Thema der Diplomarbeit
1.2 Motivation des Verfassers
1.3 Widmung
1.4 Einführung
1.5 Abstract
2 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) - Der Weg von der getrennten zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung
2.1 Kondensationskraftwerk
2.2 Thermischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses
2.3 Heizkraftwerk
3 Block-Heizkraftwerk-Anlage (BHKW)
3.1 BHKW-Arten
3.1.1 Klein-BHKW
3.1.2 Kompakt-BHKW
3.1.3 Groß-BHKW
3.2 Aufbau, Funktionsweise und technische Überlegungen zur Auswahl von BHKW
3.2.1 Brennstoffe
3.2.2 Motorische Antriebe
3.2.3 Wärmeauskopplung
3.2.4 Generator
3.2.5 Spitzenkessel
3.2.6 Pufferspeicher
3.2.7 Wärme- oder stromorientierte Auslegung
3.2.8 Laufzeit und Lebensdauer
3.2.9 Mehrmodultechnik
3.3 Energieeinsatz und Emissionen
3.3.1 Energieeinsparung, Brennstoffwahl und Schadstoffemissionen
3.3.2 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) und TA Luft
3.3.3 Lärmemissionen
3.3.4 TA Lärm
3.4 Weitere Kraft-Wärme-Kopplungs-Technologien
3.4.1 Dampfturbinen-Heizkraftwerk (DT)
3.4.2 Gasturbinen-Heizkraftwerk (GT)
3.4.3 Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD)
3.4.4 Brennstoffzelle
3.4.5 Stirlingmotor
4 Praktischer Teil
4.1 Analyse des Ist-Zustandes und Ermittlung der relevanten Daten
4.1.1 Die vorhandene Heizkesselanlage
4.1.2 Ermittlung der Auslegungsdaten für das BHKW
4.1.2.1 Wärmebedarf
4.1.2.2 Strombedarf
4.1.2.3 Zusammenfassung der relevanten Daten
4.1.3 Verwendete Messtechnik und Durchführung der Wärmebedarfsmessung
4.1.3.1 Das Durchflussmessgerät FLUXUS ADM 6725
4.1.3.2 Das Datenregistriergerät DX112
4.2 Auslegung der BHKW-Anlage
4.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.3.1 Kosten
4.3.2 Gutschriften
4.3.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich
4.3.3.1 Neue Kesselanlage ohne BHKW
4.3.3.2 BHKW mit 1 x 50kWel -Modul und neuer Kesselanlage
4.3.3.3 BHKW mit 2 x 50kWel -Modul und neuer Kesselanlage
4.3.3.4 BHKW mit 1 x 65kWel -Modul und neuer Kesselanlage
4.3.3.5 BHKW mit 2 x 65kWel -Modul und neuer Kesselanlage
4.3.3.6 BHKW mit 1 x 120kWel -Modul und neuer Kesselanlage
4.4 CO2-Emissionsminderung
4.5 Zusammenfassung
5 Schlusswort
Verzeichnisse
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Kontaktpersonen
Abkürzungen
Formelzeichen
Einheiten
Literatur- und Internetquellen
Anhang
1 Einleitung
1.1 Thema der Diplomarbeit
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der technischen Aus- legung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Block- Heizkraftwerk-Anlagen (BHKW). Anhand eines praktischen Bei- spiels wird der mögliche Einsatz eines BHKW für die Energiever- sorgung eines Krankenhauses unter technischen, wirtschaftlichen und klimatechnischen Gesichtspunkten untersucht. Bei dem betrach- teten Objekt handelt es sich um die Muster-Klinik in Musterhausen. Der Verfasser wählte dieses Krankenhaus für seine Studie aus, da einerseits in seinem Arbeitsbereich bei der XYZ AG ein entspre- chender Bedarf für eine neue Energieversorgung bei den Muster- Kliniken vorlag und die Thematik andererseits anhand des ganzjähri- gen Energiebedarfs von Krankenhäusern gut veranschaulicht werden kann.
1.2 Motivation des Verfassers
Der Verfasser arbeitet als Messtechniker bei dem Unternehmen XYZ AG. In dieser Funktion führt er Emissions-, Immissions- sowie Pro- zessparametermessungen an Industrie- und Gewerbeanlagen durch. Dies ist die Grundlage für die Beratung von Kunden mit den folgen- den Zielen:
- Prozessoptimierung
- Energieeinsparung
- Substitution von Energieträgern
- Qualitätsverbesserung
- Einhaltung von Umweltauflagen
Das berufliche und persönliche Interesse des Verfassers an den o.g. Zielen und nicht zuletzt seine positive Einstellung zur Ressourcen- schonung und zum Klimaschutz, lieferten die Motivation, die The- matik der Kraft-Wärme-Kopplung im Rahmen dieser Diplomarbeit zu bearbeiten.
1.3 Widmung
An dieser Stelle möchte sich der Verfasser bei der XYZ AG, insbe- sondere bei Herrn Dipl.-Ing. Hans Mustermann und Herrn Dipl.-Ing. Werner Musterring ganz herzlich für die wertvolle Unterstützung und hervorragende Zusammenarbeit bedanken.
1.4 Einführung
In der Bundesrepublik Deutschland stehen ungefähr 2.200 Kranken- häuser mit ca. 547.000 Betten zur medizinischen Versorgung der Bevölkerung zur Verfügung. Die Gesamtkosten für diese Kliniken betrugen im Jahr 2002 rund 60 Mrd.€. Es fallen insgesamt im Kran- kenhausbereich jährlich rund 1,3 Mrd.€ Wasser-, Strom- und Brenn- stoffkosten an, die in den Gesamtkosten enthalten sind. Das bedeutet, die Wasser- und Energiekosten liegen pro Jahr durchschnittlich bei rund 0,6 Mio.€ je Krankenhaus[1]. Aufgrund von Sparmaßnahmen der Krankenkassen und durch die Gesundheitsreform wurden in deut- schen Krankenhäusern von 1991 bis 2003 mehr als 123.000 Betten von ursprünglich 665.565 Betten gestrichen (Abbildung 1) [2], was die Pro-Bett-Kosten immer weiter ansteigen lässt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Bettenanzahl aller deutscher Krankenhäuser
Die steigenden Pro-Bett-Kosten, der Anstieg der allgemeinen Be- triebskosten im medizinischen Bereich und der wachsende Kosten- druck im Gesundheitswesen zwingen Krankenhausverwaltungen heute und in Zukunft zur Ausnutzung aller Möglichkeiten der Kos- tensenkung, auch im Bereich der Energieversorgung. Dabei existie- ren in vielen Krankenhäusern noch veraltete und sanierungsbedürfti- ge Kesselanlagen, die durch wirtschaftliche und energieoptimierte Aggregate substituiert werden könnten. In diesem Zusammenhang stellt die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ein wirkungsvolles Ele- ment der energetischen Optimierung dar. Kraft-Wärme-Kopplung bedeutet die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in mechanische oder elektrische Energie und Nutzwärme in einem ge- koppelten Prozess. Insbesondere Block-Heizkraftwerk-Anlagen (BHKW) gelten dabei als eine höchst effiziente und ausgereifte KWK-Technik. Krankenhäuser sind Energieganzjahresverbraucher und bieten sich aufgrund ihres relativ hohen und konstanten Wärme- und Strombedarfs für den Einsatz eines BHKW sehr an. Vor diesem Hintergrund und im Zuge bevorstehender Sanierungsmaßnahmen soll die seit 22 Jahren bestehende Kesselanlage der Muster-Kliniken in Musterstadt erneuert und bedarfsoptimiert werden. Mit etwa 160 Betten in verschiedenen Fachabteilungen werden in diesem Kran- kenhaus Schwerpunkte der regionalen medizinischen Versorgung vorgehalten. Die Aufgabenstellung wurde in Zusammenarbeit mit dem ortsansässigen Stadtwerk Musterstadt so definiert, dass ausge- hend von Lastgang-Messungen und einer Energiebedarfsanalyse eine wirtschaftliche Optimierung der Energieversorgung durch den Ein- satz eines BHKW geprüft werden soll. Die Führungsgröße ist dabei die Wärmegrundlastnutzung. Der gleichzeitig erzeugte Strom soll eigengenutzt werden. Die Anlage ist so auszulegen, dass ein hoher Deckungsanteil des Strom- und Wärmebedarfs bei größtmöglicher Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit besteht darin, abhängig dieser Aufgabenstellung ein geeignetes BHKW für die Energieversorgung der Muster-Kliniken technisch auszulegen und auf dessen Wirtschaftlichkeit zu untersuchen.
Extreme Wetterphänomene sorgen seit einigen Jahren in immer kür- zeren Abständen für Schlagzeilen und lassen die Themen Klima- schutz und Ressourcenschonung stärker in den Mittelpunkt der all- gemeinen und energiepolitischen Diskussion rücken. Waren es 1998 katastrophale Überschwemmungen in China und verheerende Wir- belstürme in Mittelamerika, so ist seit dem Ende des vergangenen Jahres das Phänomen der Tsunami nahezu jedem ein Begriff und gerade während der Fertigstellung der vorliegenden Arbeit verwüste- ten zwei Hurricanes in bisher nicht erfahrenem Ausmaß Teile der Südstaaten der USA. Längst stellt sich unter seriösen Wissenschaft- lern nicht mehr die Frage, ob sich das Klima durch den Menschen verändert, sondern sie diskutieren nur noch über Geschwindigkeit und Ausmaß der antrophogenen Einwirkungen. Fakt ist, dass sich in den letzten 100 Jahren im Zuge der industriellen Revolution, der Ausstoß an Treibhausgasen durch die Verbrennung fossiler Energie- träger verzwanzigfacht hat. Die weltweiten CO2-Emissionen haben 2004 einen neuen Rekordwert von 27,5 Mrd. Tonnen[3] erreicht und sind seit Beginn der Industrialisierung um rund 30% gestiegen[4]. Auch aufgrund dieser klimatechnischen Probleme gewinnen innova- tive und effiziente Energieumwandlungstechniken für die Energie- wirtschaft ständig an Bedeutung. Durch den Einsatz von Kraft- Wärme-Kopplungs-Anlagen wird der Schadstoffausstoß gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erheblich reduziert. Dies gilt um so mehr, wenn emissionsarme Energieträger, wie Erd- gas, verwendet werden. Mit Blick auf die latenten Klimaveränderun- gen durch das Treibhausgas CO2 ist ein weiteres Ziel dieser Diplom- arbeit, die mögliche Reduzierung der CO2-Emissionen durch den Einsatz des ausgelegten BHKW zu ermitteln.
1.5 Abstract
Generally, this thesis is divided into a theoretical and a practical part: the theoretical section describes basic principals of the cogeneration technology; the practical part deals in a real case study with the de- sign and profitability analysis of a motor heat and power system (MHPS) for the Muster-Kliniken in Musterstadt. The first section starts with chapter two and asks for the general concept behind the cogeneration technology. By describing the power generating proc- ess in a condensation power station it is shown that this technology achieves just a relatively low efficiency factor of 35 to 40%. Conse- quently, technical research aimed to find more efficient approaches which led to the development of the combined heat and power tech- nology (CHP), and in a next step of a MHPS, which will be de- scribed in this chapter. Chapter three will deal in more detail with the characteristics and various types of MHPS. It will also ask for the design and operating mode of these units and deal with some techni- cal questions that are relevant for the selection and design when planning a MHPS. A further subchapter focuses on the question of energy consumption and, therefore, emissions. Finally, chapter three ends with an overview of further cogeneration technologies. Chapter four introduces the practical aspects of this thesis. It starts with a description of the energy supply method in the Muster-Kliniken un- der review, which currently works with a conventional boiler plant. The author describes how the relevant design parameters were being obtained in order to evaluate the option of replacing the current tech- nology with a MHPS. The measuring in order to determine the re- quired heat as well as the technique the author applied for that pur- pose are described in more detail and documented in this section of the thesis. Based on these results, follow the explanation of relevant aspects of the technical design, and the analysis of the economic profitability. Furthermore, the expected reduction of CO2 emissions resulting from the replacement of the former technology by the MHPS is determined. A summary of the findings adds to this section of the thesis, which is then completed by a final conclusion in chap- ter five.
2 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) - Der Weg von der getrennten zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung
Kraft und Wärme sind grundlegende Elemente des Lebens. Jede Muskelzelle des menschlichen Körpers arbeitet nach dem Prinzip durch Umwandlung von Brennstoff, in diesem Fall Kohlenhydrate, die zum Leben notwendige Kraft und Wärme in einem einzigen Pro- zess zu erzeugen. Dieses Prinzip der Natur, ist auch das Prinzip von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, also die gleichzeitige Erzeugung von nutzbarer Wärme und Kraft in einem gekoppelten Prozess. Die Grundidee der Kraft-Wärme-Kopplung, im Weiteren als KWK ge- nannt, liefert uns die Natur. Aber wie verwirklicht sich die KWK?
2.1 Kondensationskraftwerk
Die klassische Art der Stromerzeugung erfolgt über den Dampfkraft- prozess. Konventionelle Kondensationskraftwerke arbeiten nach diesem Prinzip. Der Prozess beginnt mit der Verbrennung von Pri- märenergieträger wie Kohle, Braunkohle, Öl oder Erdgas. Die dabei freigesetzte Energie wird an ein Wasserdampfsystem in der Brenn- kammer übertragen. Der so erzeugte Frischdampf wird anschließend über Dampfturbinen entspannt, welche an einen Stromgenerator ge- koppelt sind und so die Energie in Strom umwandeln. Dieser wird in das Stromnetz eingespeist. Der entspannte Dampf wird im Konden- sator kondensiert. Kühlwasser aus meist nahegelegenen Flüssen ent- zieht dem Dampf, der sich als Kondensat niederschlägt die Wärme, um anschließend wieder als Speisewasser für den Verdampfer zu dienen. Das aufgeheizte Kühlwasser gibt seine Wärmeenergie im Kühlturm an die Umwelt ab. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden über eine Abgasreinigungsanlage und einen Kamin ebenfalls an die Umwelt abgeführt. Abbildung 2 verdeutlicht dieses Prinzip anhand eines Kohlekraftwerkes.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Schema eines Koh- lekraftwerkes (Kondensations- kraftwerk) [5]
Ein Merkmal dieses Dampfkraftprozesses ist die Begrenztheit der theoretisch möglichen Ausnutzung der Brennstoffenergie. Thermodynamisch wird die Grenze durch den thermischen Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses beschrieben.
2.2 Thermischer Wirkungsgrad des Carnot- Prozesses
Ein Prozess, bei dem nach einer Reihe von Zustandsänderungen eines Gases der ursprüngliche Ausgangszustand wieder erreicht wird, heißt Kreisprozess. Im pV-Diagramm ergibt sich für einen Kreispro- zess ein geschlossener Kurvenzug. Die beiden Zustände 1 und 2 in den Abbildungen 3 und 4 sind durch unterschiedliche Kurven ver- bunden. Die Flächen unter den beiden Kurven entsprechen den ver- richteten Arbeiten. Der Inhalt der umschlossenen Fläche entspricht der abgegebenen Arbeit, wenn der Kreislauf rechtsherum läuft (Wärmekraftmaschine) und entspricht der aufgenommenen Arbeit bei entgegengesetztem Durchlaufen (Kältemaschinen)[6].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Rechtsprozess, Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie Q →W
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Linksprozess, Um- wandlung von mechanischer E- nergie in Wärmeenergie W → Q
Im Carnot-Kreisprozess wird unter allen denkbaren reversiblen Pro- zessen der größtmögliche Anteil der zugeführten Wärme in Nutzar- beit umgewandelt (größtmöglicher Wirkungsgrad). Bisher konnte dieser allerdings noch nie verwirklicht werden. Der Carnot- Kreisprozess wird somit als thermodynamisches Modell verstanden und dient als Vergleichsprozess zur Beurteilung anderer Kreispro- zesse[7].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Ablauf des Carnot- Kreisprozesses im pV-Diagramm
In diesem Rechtsprozess gibt es vier aufeinanderfolgende Zustandsänderungen:
1. isotherme Expansion (1→ 2) Die Wärmemenge
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
muss dem System zugeführt werden um die mechanische Energie w12 abgeben zu können. Dabei ist T1 = T2.
2. isentrope (adiabate) Expansion (2→ 3) Es wird T3 erreicht und w23 abgegeben.
3. isotherme Kompression (3→ 4)
Damit T3 = T4 ist, muss die Wärmemenge
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
vom System abgeführt und w34 dem System zugeführt werden.
4. isentrope Kompression (4→ 1) um wieder den Ausgangszustand mit T1 zu erhalten, muss dem System die mechanische Energie w41 zugeführt wer- den[8].
Die Abbildung 6 stellt den Zusammenhang des Carnot- Kreisprozesses vereinfacht dar. Die Fläche zwischen dem Kurven- stück 1→2→3 und der Abszisse entspricht der bei der Expansion verrichteten mechanischen Arbeit. Dagegen kommt der Fläche unter der Kurve 3→4→1 die bei der Kompression zugeführte mechanische Arbeit gleich. Die Differenz beider Flächen gibt die während eines vollen Kreislaufs insgesamt abgegebene mechanische Arbeit an. Dementsprechend folgt daraus, dass die bei 1→2 zugeführte Wärme qzu größer sein muss, als die bei 3→4 abgegebene Wärme qab9.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Carnot- Kreisprozess [10]
Die Güte des Prozesses wird durch den thermischen Wirkungsgrad
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
beschrieben. Da die Zustandsänderungen 2→3 und 4→1 isentrop verlaufen, gilt hierfür
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aufgrund der isothermen Zustandsänderung ist
T1=T2 und T3=T4
Somit ergibt sich:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Damit erhält man für das Verhältnis mit Gleichung 2.2 und
Gleichung 2.1
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Folglich erhält man für den thermischen Wirkungsgrad des Carnot- Kreisprozesses:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit T1=To, obere Temperatur, bei der die Wärmemenge qzu zugeführt wird und
mit T3=Tu, untere Temperatur, bei der die Wärmemenge qab abgeführt wird, ergibt sich
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das bedeutet, dass die Wärmezufuhr bei einer möglichst hohen und die Wärmeabfuhr bei einer möglichst niedrigen Temperatur erfolgen sollte. Für alle Wärmekraftmaschinen ist der maximale Wirkungsgrad (Idealfall) mit Gleichung 2.8 gegeben, d.h. η < 1. Im Realfall ist er aufgrund von Verlusten aber noch kleiner[12]. Somit ergibt sich mit Gleichung 2.8 der ideale obere Grenzwert für η.
Die Bedeutung, die sich hieraus für das oben beschriebene Kondensationskraftwerk ergibt, wird im Folgenden beschrieben:
Nimmt man realistische Werte für ein Kohlekraftwerk mit To = 530°C = 803,15K und Tu = 30°C = 303,15K an, ergibt sich ein carnotischer Wirkungsgrad von
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Realfall müssen allerdings noch folgende Verluste beachtet wer- den:
In der Brennkammer bzw. im Kessel kann der Brennstoff seinen Energieinhalt mit einem Kesselwirkungsgrad von ηK≈0,95 an das Speisewasser abgeben. Der thermische Wirkungsgrad des Wasser- Dampf-Kreislaufs beträgt nur ηth≈0,5, wofür im Wesentlichen die hohe Verlustwärme des Kondensators verantwortlich ist. Für den Wirkungsgrad sämtlicher Dampf- und Wasserleitungen kann ηL≈0,98 und für die Turbine ηT≈0,87 angenommen werden. Der Synchrongenerator hat relativ geringe Verluste mit ηG≈0,98. Schließlich muss man noch den Eigenbedarf des Kraftwerks berücksichtigen. Dieser entsteht z.B. für die zahlreichen Motoren, Pumpen, Lüfter und Fördereinrichtungen und wird durch den Eigenbedarfsfaktor ε=0,06 einkalkuliert. Mit diesen wichtigsten Teilwirkungsgraden erhält man den Kraftwerkswirkungsgrad ηKW:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.3 Heizkraftwerk
Weiterhin müssen für den Stromtransport zum Kunden zusätzlich Wirkungsgrade von ηTr≈0,90 bis 0,98 berücksichtigt werden. Dem- zufolge sinkt der Gesamtwirkungsgrad auf ca. 33% bis 36%. Die genannten Zahlen gelten für ein Kohlekraftwerk von ca. 600MW Leistung. Generell steigen die Wirkungsgrade mit wachsender Kraft- werksgröße an[13]. So werden heutzutage mit modernen Kohlekraft- werken Wirkungsgrade von ungefähr 40% erreicht [14].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Stromerzeugung im Kraftwerk [15]
Angesichts derart hoher Energieverluste haben Techniker und Inge- nieure schon immer an der Frage gearbeitet, wie die Brennstoffener- gie besser ausgenutzt werden kann. Die Antwort liegt in der Aus- kopplung von Wärme aus dem beschriebenen Dampfkraftprozess für Heizzwecke. Zu der Nutzung der Brennstoffenergie in Form der elektrischen Kraft tritt damit die externe Nutzung von Wärme hinzu. Bei dieser gekoppelten Umwandlung und Ausnutzung von Energie in Form von Strom und Wärme spricht man von Kraft-Wärme- Kopplung (KWK).
2.3 Heizkraftwerk
So einfach, wie die Idee der KWK zunächst erscheint, so schwierig ist die Realisierung in Verbindung mit dem Dampfkraftprozess. Denn ein weiteres Merkmal dieses Prozesses ist, dass er sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen in Großanlagen betrieben werden muss. Daher fällt auch die Abwärme in riesigen Mengen konzentriert am Kraftwerksstandort an, wobei dort in der Regel zu wenige oder gar keine Verbraucher für diese Wärme vor- handen sind. Während elektrische Energie durch Hochspannungslei- tungen auch über weite Strecken relativ einfach und mit hohem Wir- kungsgrad zum Verbraucher transportiert werden kann, ist dies bei dem Transport der Abwärme über Fernwärmeleitungen nur begrenzt möglich und hat ab einer gewissen Länge einen schlechten Wir- kungsgrad. Prof. Dr.-Ing. Klaus Heidemann spricht in seiner Fachli- teratur von einem wirtschaftlichen Betrieb in einem maximalen Um- kreis von etwa 40km um das Kraftwerk[16]. Weiterhin ist der Aufbau eines geeigneten Fernleitungsnetzes mit zugehöriger Infrastruktur aufwendig und kostspielig. So beschränkt sich die Abwärmenutzung auf einige wenige Fernwärmegebiete und wenige industrielle Ab- wärmenutzer in unmittelbarer Nachbarschaft der Kraftwerke. Diese Art der KWK werden durch sog. Heizkraftwerke (HKW) realisiert. Die Verluste verringern sich dabei auf ca. 20%.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Strom- und Wärme- erzeugung im Heizkraftwerk [17]
Mit diesen Heizkraftwerken wird der Wirkungsgrad im Vergleich zur getrennten Strom und Wärmeerzeugung nahezu verdoppelt. Wohn- und Industriegebiete die beispielsweise aus geografischen Gründen nicht an ein Fernwärmenetz angeschlossen werden können, haben allerdings das Nachsehen. Diesem Problem soll durch die Dezentra- lisierung der Energieversorgung entgegengewirkt werden. Dieser Schritt wird in Kapitel 3 mit der bekanntesten Variante der KWK, dem Block-Heizkraftwerk, erläutert.
3 Block-Heizkraftwerk-Anlage (BHKW)
Wie bereits erläutert, wird Energie üblicherweise zentral durch Großkraftwerke in Strom umgewandelt und die Abnehmer werden über Hochspannungsleitungen versorgt. Der Verbraucher erzeugt vor Ort selbst Wärme z.B. durch erdgas- oder heizölbetriebene Kessel. Statt dieser nichtgekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung ist es doch naheliegender kleinere KWK-Anlagen dezentral zu bauen, also in der Nähe der Verbraucher. Gleichzeitig kann ihre Größe an die Abnahmekapazität der Wärme- bzw. Stromverbraucher angepasst werden. Hier kommen die sog. Block-Heizkraftwerk-Anlagen, abge- kürzt und im Weiteren BHKW genannt, zum Zuge. Sie spielen in der KWK-Technik die heute wohl wichtigste Rolle. BHKW sind kom- pakte, anschlussfertige Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen. Merkmale der BHKW sind zusammenfassend,
- dass sie Strom produzieren, welcher den Strom aus Kraft- werken vollwertig ersetzen kann,
- dass sie gleichzeitig Wärme liefern, die sonst von Heizungs- anlagen bereitgestellt werden müsste und
- dass sie dezentral, also unmittelbar bei den Verbrauchern eingesetzt werden können.
Ursprünglicher Zweck dieser dezentralen HKW war die Versorgung eines Wohnblocks oder eines Fabrikblocks mit Energie. Diese Ver- wendung war namensgebend und umschreibt auch heute noch den typischen Anwendungsbereich der BHKW[18]. Die Energieverluste lassen sich mit dieser KWK-Variante auf ein sehr effizientes Maß von ca. 10% verringern, entsprechend einem Nutzungsgrad von ca. 90%.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung mit BHKW [19]
Kritiker könnten behaupten Wirkungsgrade von 90% und mehr errei- che man heute mit modernen Heizkesseln ebenfalls, in der Variante als Brennwertkessel erreiche man sogar über 100%. Wozu dann ein BHKW?
Diese Argumentation berücksichtigt allerdings nicht, dass der in Heizkesseln verfeuerte Brennstoff für die Stromerzeugung endgültig verloren ist. Das ist bei einem BHKW nicht der Fall. Thermodyna- misch ausgedrückt heißt das, dass die Wiedergewinnung des An- fangzustandes über die gleiche Zustandslinie wie die der Expansion erfolgt. Das Potential des Brennstoffes mechanische Arbeit zu ver- richten, wird somit ohne Nutzen vernichtet. Die Nutzarbeit ist somit gleich null[20]. Abbildung 10 zeigt diesen Zusammenhang anhand des pV-Diagramms.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Kreisprozess ohne Nutzarbeit [21]
Brennwertkessel sind in der Lage, den Abgasen über einen zweiten Wärme- tauscher einen großen Teil ihrer Wärme zu entziehen und für den Heizkreislauf nutzbar zu machen. Dabei wird auch der Wasserdampf, der als Verbrennungs- produkt in den Abgasen enthalten ist, so weit abgekühlt, dass er kondensiert und dabei zusätzliche Wärme (die sog. Kondensationwärme) freisetzt. Je niedriger die Rücklauftemperaturen der Heizung sind, desto mehr Abgaswärme wird genutzt. Deshalb erreichen Brennwertkessel ihren höchsten Wirkungsgrad mit niedrigen Vor- und Rücklauftemperaturen. Bezogen auf den Heizwert liegen ihre Wirkungsgrade zwischen 105 und 110% (bei Erdgas).
3.1 BHKW-Arten
BHKW werden bezogen auf ihre Größe und Leistungsbereiche in Klein-, Kompakt- und Groß-BHKW kategorisiert. Nachfolgend werden diese Kategorien näher erläutert.
3.1.1 Klein-BHKW
Klein-BHKW, auch als Mini-BHKW bezeichnet, liegen im elektri- schen Leistungsbereich von ca. 5 bis 30kW. Die Baugröße reicht von der einer größeren Waschmaschine bis hin zu der eines 500kW-Heizkessels. Klein-BHKW eignen sich für kleine Mehrfami- lienhäuser ab 8 bis 10 Wohneinheiten, kleine Krankenhäuser mit ca. 25 bis 30 Betten oder vergleichbare Nutzungen[22]. Solche Klein- BHKW können in der Regel einfach als Ergänzung eines Heizkessels im gleichen Heizraum aufgestellt und angeschlossen werden. Das Abgas kann im separaten Abgasrohr, aber auch zusammen mit dem Rauchgas vom Heizkessel abgeführt werden. Die Ausrüstung der Klein-BHKW wird meistens schon komplett angeboten und umfasst auch die erforderliche Regel- und Steuertechnik für die Verbindung zur Heizungsanlage.
3.1.2 Kompakt-BHKW
Die Kompakt-BHKW liegen im elektrischen Leistungsbereich von 30 bis ca. 400kW. Der Name bezieht sich auf die meistens vollstän- dige Ausstattung der Module in kompakter Bauform, einschließlich Schalldämmhaube und Steuerung. Kompakt-BHKW sind meistens einbaufertig konfektioniert und erlauben eine schnelle Montage vor Ort. Die Baugrößen sind so gewählt, dass sie in der Regel noch in die Heizzentralen der Liegenschaften passen, die von Seiten des Ener- giebedarfs für solche Maschinen in Frage kommen. Diese Leistungs- klasse ist geeignet für eine große Zahl wohnungsähnlicher Liegen- schaften wie Altenheime oder Kliniken, aber auch für größere Objek- te wie Schwimmbäder oder größere Bürogebäude[23].
3.1.3 Groß-BHKW
Als Groß-BHKW gelten Anlagen mit einer elektrischen Modul- Leistung von ca. 400 bis zu 20MW und mehr. Oft werden diese An- lagen aus Schiffsmotoren entwickelt und gelten daher als besonders zuverlässig und langlebig . Hieraus lässt sich auch die Größe der Module und der entsprechende Platzbedarf ableiten. In Entwick- lungsländern bilden sie oft wichtige Teile der öffentlichen Stromver- sorgung. In der Regel kommen sie hier zu Lande für größere Heiz- zentralen und bei Sonderanlagen mit speziellen Anforderungen in Frage. Bei Bedarf kann ein Teil der auszukoppelnden Wärme zur Dampferzeugung genutzt werden. Vielfach sind für solche Anlagen eigene Aufstellungsräume und Abgasanlagen zu schaffen. Groß- BHKW konkurrieren im Leistungsbereich ab ca. 1MW mit Gasturbi- nen.[24].
3.2 Aufbau, Funktionsweise und technische Überlegungen zur Auswahl von BHKW
Grundsätzlich funktioniert ein BHKW wie folgt: Ein Verbrennungs- motor treibt einen Generator an und stellt dem Verbraucher dadurch elektrischen Strom zur Verfügung oder der elektrischer Strom wird in ein Stromnetz eingespeist. Gegebenfalls kann der Motor auch direkt eine Maschine oder einen Verdichter (z. B. bei der Druckluft- erzeugung) antreiben. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Kühlwasser, Öl), wird über einen Wärmetauscher zur Heizwasser- erwärmung verwendet. Die im Abgas enthaltene Wärmeenergie wird gegebenenfalls zur Dampferzeugung (Prozesswärme) und/oder mit- tels Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung ausgenutzt. Der Aufbau eines BHKW ist in Abbildung 11 schematisch dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Schema eines BHKW (2-Modul-Ausführung) [25]
Ein BHKW besteht im Kern aus einer oder mehreren Motor- Generator-Modulen, von denen Wärme und Strom immer gleichzei- tig produziert werden. Hinzu kommt in der Regel eine Spitzenlast- Kesselanlage, die Anbindung an ein Stromnetz und gegebenenfalls die Einrichtung eines Pufferspeichers. Dieser dient als Wärmepuffer zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung und der Nutzung der Wär- me. Verschiedene Wärmetauscher koppeln die Nutzwärme aus dem System aus. Weiterhin gehören zur Infrastruktur eines BHKW diver- se elektrische Schalt- und Steuereinrichtungen zur Stromverteilung bzw. zum Kraftmaschinenmanagement sowie hydraulische Einrich- tungen zur Wärmeverteilung, wie Pumpen, Ventile etc.[26].
Nachfolgend werden einige wichtige technische Details beim Aufbau erörtert, sowie auf technische Überlegungen, die bei der Auswahl eines BHKW entscheidend sind, näher eingegangen.
3.2.1 Brennstoffe
In BHKW werden überwiegend gasförmige Brennstoffe, in erster Linie Erdgas, eingesetzt. Eine weitaus geringere Anzahl wird mit flüssigen Kraftstoffen betrieben. Aufgrund von Vorteilen, wie den geringen Verbrennungsemissionen und dem gut ausgebauten Vertei- lungsnetz, ist Erdgas der am häufigsten verwendete Brennstoff. Die Abgase sind heute nahezu schwefel-, ruß- und geruchsfrei. Des Wei- teren sind die Lärmemissionen bei erdgasbetriebenen Motoren nur halb so groß wie die eines vergleichbaren Dieselmotors. Ist kein Erdgasanschluss vorhanden, kann je nach Motortyp auch auf Diesel bzw. leichtes Heizöl oder Flüssiggase wie Propan oder Butan zu- rückgegriffen werden. Es müssen dann allerdings Maßnahmen für die Brennstofflagerung und weiterer Platzbedarf eingerechnet wer- den, was sich nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage aus- wirkt. Als Brenngase werden auch Deponie-, Bio-, Klär- und andere Schwachgase verwendet. Diese spielen allerdings in der BHKW- Technik eine untergeordnete Rolle, da sie nur bei bestimmten Pro- zessen anfallen und für gewöhnlich nur unmittelbar am Entstehungs- ort nutzbar sind[27].
3.2.2 Motorische Antriebe
BHKW-Antriebsmotoren sind umgebaute oder für den Dauerbetrieb modifizierte Serienbauarten aus der PKW-, LWK- oder Schiffsmoto- renproduktion. Es sind üblicherweise Langsamläufer mit Drehzahlen von 1.500U/min. Groß-BHKW über 3MW haben oft weit geringere Drehzahlen. Bei den Hubkolbenverbrennungsmotoren unterscheidet man
- Gasottomotoren (auch Gasmotoren genannt)
- Dieselmotoren und
- Dieselgasmotoren (auch Zündstrahlaggregate genannt)
Da Erdgas der häufigste BHKW-Brennstoff ist, sind Gasmotoren überwiegend verbreitet. Das Gasotto- und Dieselmotor-Prinzip soll folgend kurz erläutert werden. Gasottomotoren saugen das Gas-/Luftgemisch an und verdichten es. Die Zündung des Gasgemi- sches erfolgt durch Funkenbildung durch Zündkerzen. Beim Diesel- motor wird der Brennstoff direkt in die vom Kolben komprimierte Luft des Brennraums eingespritzt. Aufgrund der hohen Temperaturen der Glühkerzen entzündet sich der Brennstoff[28]. Durch die anschlie- ßende Expansion im Brennraum erfolgt die Hubbewegung der Kol- ben. Beim Betrieb unter Nennlast haben Dieselmotoren im Durch- schnitt heute etwas höhere mechanische und damit auch höhere elektrische Wirkungsgrade als Gasottomotoren. In der ASUE (Ar- beitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energie- verbrauch e.V.)-Veröffentlichung „BHKW-Kennzahlen 1997“ , fiel die elektrische Wirkungsgraddifferenz noch größer zum Vorteil der Dieselmotoren aus. Da in der Vergangenheit die Hersteller die Effek- tivität von Gasmotoren immer weiter verbesserten, können diese mittlerweile mit den Wirkungsgraden von Dieselmotoren ohne Wei- teres konkurrieren. Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der Wir- kungsgrade von Gasotto- und Dieselmotoren auf Grundlage der ak- tuellen ASUE-Veröffentlichung „BHKW-Kennzahlen 2005“.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Gegenüberstellung der Wirkungsgrade von Gasotto-
Die Leistung von Gasmotoren kann immerhin bis etwa 60% der Nennlast ohne nennenswerte Wirkungsgradeinbuße abgesenkt wer- den. Unter 50% Teillast fallen die Wirkungsgrade aber ab. Deshalb wird der Teillastbetrieb häufig nach unten begrenzt und im allgemei- nen erst bei größeren BHKW (etwa ab 100kWel) angewandt. Der Dieselgasmotor kann ähnlich hohe elektrische Wirkungsgrade erreichen wie der Dieselmotor. Er benötigt aber für den Betrieb stän- dig zwei Kraftstoffe, nämlich Gas als Wärmeträger und eine kleine Menge Zündöl (Diesel bzw. Heizöl), das in das hoch verdichtete Gas-Luftgemisch eingespritzt wird und dieses zündet. Der Zündölan- teil beträgt 5 bis 10% der bei Nennleistung benötigten Brennstoff- menge und kann wahlweise ohne Unterbrechung stufenlos bis auf 100% Dieselanteil umgeschaltet werden. Diese Motoren eignen sich für spezielle Anwendungen ( u.a. Biogasanlagen), spielen aber bei den häufigsten BHKW-Anwendungen eine untergeordnete Rolle[30].
3.2.3 Wärmeauskopplung
Verbrennungsmotoren geben Wärme schwerpunktmäßig an drei Stellen ab: durch
- das Kühlwasser
- das umlaufende Schmieröl
- die Abgaswärme
Gegebenenfalls kann die Wärme am Ladeluft- bzw. Gemischkühler genutzt werden. Hinzu kommt noch die Wärmeabgabe über den hei- ßen Motorblock, die Ölwanne usw. Da die Nutzung der letztgenann- ten schlecht umzusetzen ist, beschränkt man sich beim BHKW auf die drei oben genannten Wärmequellen und versucht die Abstrahlung durch das Gehäuse möglichst gering zu halten. Die Kühlwasser- und Schmieröltemperaturen liegen bei etwa 80 bis 90°C und die Abgas- temperaturen im Bereich von 400 bis 600°C. Die Auslegung der Wärmetauscher orientiert sich an den üblichen Temperaturverhält- nissen in Heizungsanlagen von 90°C im Vorlauf und 70°C im Rück- lauf. Das umlaufende Wasser wird zunächst im Kühlwasserwärme- tauscher auf etwa 80°C vorgewärmt und im nachgeschalteten Ab- gaswärmetauscher auf etwa 90°C Vorlauftemperatur angehoben. Hierdurch wird das Abgas bis auf etwa 120°C beim Gasottomotor bzw. auf etwa 180°C beim Dieselmotor abgekühlt. Das aufgeheizte Wasser durchläuft dann das Heizungssystem zur Wärmeabgabe des Versorgungsobjektes und wird gegebenenfalls für die Warmwasser- aufbereitung einem zusätzlichen Wärmetauscher zugeführt. Dampf oder Heißwasser über 90°C für Prozesszwecke lassen sich mit der Abgaswärme ebenfalls erzeugen. Allerdings wird dann für das nie- dertemperierte Kühlwasser ein separater Kreislauf erforderlich um eine ausreichende Kühlung des Kolbenmotors sicherzustellen (Rück- lauftemperatur <70°C). Bei sogenannten heißgekühlten Motoren erreicht man Kühlwassertemperaturen bis zu 130°C, die für die Dampferzeugung genutzt werden können[31].
3.2.4 Generator
Am häufigsten werden BHKW niederspannungsseitig an das 400V~Netz angeschlossen. Die Stromerzeugung erfolgt je nach Grö- ßenordnung bzw. Anwendung des BHKW-Moduls durch Asyn- chron- und Synchrongeneratoren. In der üblichen Betriebsweise, dem Netzparallelbetrieb, laufen überwiegend Asynchrongeneratoren. Diese sind robust, preiswert und benötigen keine Regeleinrichtun- gen, da das Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU) Span- nung sowie Frequenz vorgibt und den zur Erregung notwendigen Magnetisierungsstrom (Blindstrom) liefert. Werden Asynchrongene- ratoren im Stillstand ans Netz geschaltet, funktionieren sie als Elekt- romotor und können quasi als Anlasser das BHKW starten. Diesen Startvorgang nennt man Generatorstart[32].
Synchrongeneratoren werden mit einer Drehzahl- und Feldregelung sowie mit einer automatischen Synchronisierungseinrichtung gebaut. Sie können daher auch ohne Verbindung zum Netz des EVU betrie- ben werden (Inselbetrieb) und ermöglichen neben der üblichen Be- triebsweise (parallel zum Netz) auch den Notstrombetrieb. Bedingt durch den technischen Aufbau von Synchrongeneratoren sind diese in der Lage, Blindstrom in das Netz zu liefern. Dadurch können im Gegensatz zu Asynchrongeneratoren unter Umständen Kosten für eine Blindstrom-Kompensationseinrichtung eingespart werden[33]. Die Generatoren werden in luft- oder wassergekühlter Ausführung ein- gebaut. Die häufiger anzutreffende wassergekühlte Bauart erzielt eine von ihrer Größe abhängige elektrische und thermische Mehrleis- tung. Dies beträgt beispielsweise bei einem 50kWel- Modul etwa 2kWel und 5kWth. Dadurch verbessert sich der BHKW- Gesamtwirkungsgrad um ein bis zwei Prozent[34]. Die Mehrinvestitio- nen für den wassergekühlten Generator amortisieren sich bereits nach wenigen Jahren. Außerdem senkt die Wasserkühlung den Kühl- luftbedarf des Moduls. Die Generatoren werden wie andere elektri- sche Maschinen durch übliche Schalteinrichtungen gegen Überlast und Kurzschluss geschützt. Die elektrische Netzanbindung kann bis zu einer installierten BHKW-Leistung von maximal 1.000kWel di- rekt an das vorhandene Niederspannungsnetz erfolgen[35].
3.2.5 Spitzenkessel
Eine BHKW-Anlage hat eine bestimmte thermische Leistung und kann dementsprechend nur eine gewisse Wärmemenge zur Verfü- gung stellen. Die an kalten Tagen erforderliche höhere Wärmeleis- tung muss durch einen sogenannten Spitzenkessel erzeugt werden. Eine vorhandene Kesselanlage kann für diese Zwecke eingesetzt werden. Bei Neuanlagen ergibt sich die erforderliche thermische Leistung des Spitzenkessels aus der Differenz zwischen der maxima- len Wärmelast und der thermischen Leistung des BHKW. Um die Wärmeversorgung bei Ausfall des BHKW sicherzustellen wird der Spitzenkessel in der Praxis größer gewählt. Bei besonderen Anwen- dung, wie in Krankenhäusern, wird der Kessel auf die maximale Wärmelast ausgelegt um auch an kältesten Tagen die notwendige Wärme zu erzeugen.
3.2.6 Pufferspeicher
Ein Pufferspeicher dient als Wärmepuffer zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung und der Wärmenutzung. Der Wärmebedarf unterliegt in der Praxis nicht nur den Tageszyklen, sondern auch kurzzeitigen Wärmeschwankungen. Sinkt der Wärmebedarf unter die thermische Leistung des BHKW ab, müsste dieses abschalten oder in Teillast arbeiten. Die Wärme wird aber in diesen Zeiten in den Pufferspei- cher gefahren. Hieraus könnte gefolgert werden, dass durch den Ein- satz eines Pufferspeichers die Jahreslaufzeit des BHKW verlängert wird. Das ist allerdings ein Trugschluss, da die gespeicherte Wärme im Pufferspeicher dem System irgendwann wieder zur Verfügung gestellt werden muss und dann das BHKW in diesen Zeiten nicht betrieben wird. Durch den Pufferspeicher lassen sich die Anzahl der Starts des BHKW reduzieren und so die Lebensdauer des BHKW verlängern. Bei stromgeführter Auslegung kann mit Hilfe einer Steu- erung die Laufzeit des BHKW besser an den Strombedarf angepasst werden. Wird der im BHKW erzeugte Strom ins EVU-Stromnetz eingespeist, wird der Pufferspeicher tagsüber, wenn die Strompreise hoch sind, gefüllt. Das BHKW läuft in den Zeiten somit länger. In den Nachtstunden hingegen, wenn der Strompreis niedrig ist, kann der Speicher wieder leer gefahren werden. In diesen Zeiten steht das BHKW. Das vorhandene Heizungssystem wirkt ebenfalls als kleiner Puffer. Der Pufferspeicher wird nach der BHKW-Größe, der gewünschten Volllastlaufzeit und der Temperaturdifferenz dimensioniert. Mit folgender Formel lässt sich die Dimension eines Pufferspeichers näherungsweise berechnen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Beispiel: Auslegung für eine Volllaststunde und 2/3 nutzbarem Speichervolumen, mit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Des Weiteren kann ein Pufferspeicher auch die Funktion einer hyd- raulischen Weiche übernehmen. Dabei werden Volumenstromdiffe- renzen ausgeglichen, wenn die Heizkreise mehr Wasser anfordern als der Wärmeerzeugerkreis gerade liefert und umgekehrt. Dadurch wird die volle Leistungsabgabe jedes Wärmeerzeugers im System ermög- licht.
3.2.7 Wärme- oder stromorientierte Auslegung
Wärme und Strom fallen in einem BHKW immer in einem vorgege- benen Verhältnis als Koppelprodukte an, die aber in den meisten Fällen nicht in gleichen Mengen und zur gleichen Zeit benötigt wer- den. Hauptziel muss die Gesamtoptimierung der Anlage sein. Für die Auslegung muss eine objektabhängige Bedarfsanalyse von thermi- scher und elektrischer Energie berücksichtigt werden. Es gibt grund- sätzlich zwei Möglichkeiten, nach denen die Leistung von BHKW ausgelegt werden kann:
- nach Höhe und Struktur des Wärmebedarfs (wärmeorien- tiert)
- nach Höhe und Struktur des Strombedarfs (stromorientiert)
Die höchstmögliche Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie wird erzielt, wenn die thermische Leistung des BHKW wärmeorientiert ausgelegt wird. Das bedeutet, die Anlage läuft nur, wenn Wärme erforderlich ist. Der gleichzeitig erzeugte Strom wird im Objekt ge- nutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Die Auslegung nach der elektrischen Leistung, also stromorientiert, wird seltener durchgeführt. Sie ist in den Fällen sinnvoll, in denen ein hoher, teuer zu bezahlender Leistungsbedarf vorhanden ist und gleichzeitig die erzeugte Wärme mitgenutzt werden kann. Kann die Wärme nicht genutzt werden, hat die Anlage die Funktion eines reinen Stromag- gregates, bei dem die Wärme über Kühlsysteme an die Umwelt ab- gegeben wird. Der Wirkungsgrad verringert sich entsprechend[36]. Eine wichtige Kennzahl für die strom- oder wärmegeführte Ausle- gung ist die Stromkennzahl. Diese ist ein Maß für die Stromausbeute einer KWK-Anlage und ist gleich dem Quotienten aus der bereitge- stellten Strommenge und der nutzbaren Wärmemenge eines KWK- Prozesses.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Beispiel: Ein BHKW, welches gleichzeitig 150kWh Strom und 300kWh Wärme bereitstellt, besitzt eine Stromkennzahl von 0,5 (Rechnung: 150/300=0,5).
Das bedeutet, je höher die Stromkennzahl, desto größer auch der Erlös für den Strom, bzw. bei Eigennutzung, desto geringer der Stromfremdbezug. Die Auswertung einer ASUE-Statistik hat erge- ben, dass die Stromkennzahl bei Verbrennungsmotoren nicht von der Größe der Anlage, sondern eher vom verwendeten Brennstoff ab- hängt. Demnach liegen die Stromkennzahlen von Gasmotoren im Durchschnitt bei ca. 0,59 und von Dieselmotoren bei 0,84[37]. Für die meisten Klein- bis Kompakt-BHKW liegen die Stromkennzahlen um 0,5, d.h. es fällt etwa doppelt so viel Wärmeenergie wie Strom an[38].
3.2.8 Laufzeit und Lebensdauer
Im Vergleich zum Wert ihrer Produkte Strom und Wärme sind BHKW teure Maschinen. Sie müssen daher möglichst viel und mög- lichst lange arbeiten, damit sie sich amortisieren. Üblich sind Lauf- zeiten von 4.500 bis 7.000 Betriebsstunden im Jahr. Bei wärmege- führten Anlagen ist ein Kompromiss zwischen einem möglichst ho- hen Anteil an der Deckung des Wärmebedarfs und einer noch wirt- schaftlichen Leistungsgröße zu ermitteln. Bei stromgeführten Anla- gen ist die Laufzeit meist durch die zu versorgenden Maschinen und Anlagen vorgegeben.
Grundvoraussetzung für eine lange Lebensdauer ist eine schonende Fahrweise, d.h. es sollte ein kontinuierlicher Betrieb angestrebt wer- den. Ein häufiges Ein- und Ausschalten der Anlage, die sogenannte taktende Fahrweise, hat unter anderem den Nachteil, dass die damit verbundenen Temperaturschwankungen sehr hohe Materialbelastun- gen mit sich bringen. Die taktende Fahrweise macht einen erhöhten Wartungsaufwand erforderlich und zudem verkürzen viele Starts die Lebensdauer der Anlage. Um einen schonenden, langlebigen und damit wirtschaftlichen Betrieb des BHKW zu gewährleisten, sollte sich die Auslegung immer am Minimalbedarf orientieren[39]. Die tech- nische Lebensdauer von Kompakt- und Groß-BHKW wird von Her- stellern mit etwa 120.000 Betriebsstunden angegeben. Legt man beispielsweise eine Laufzeit von 6.000 h/a zugrunde, entspricht das einer Kalenderzeit von 20 Jahren. Zum Vergleich: Ein Kfz-Motor erreicht im Durchschnitt nur etwa 4.000h bis zu seiner Verschrot- tung. Einige Gründe für die lange Lebensdauer bei BHKW sind die niedrige Drehzahlen von meist 1.500U/min (vgl. Kapitel 3.2.2), kon- stante Drehzahlen, konstante Last, Begrenzung der Starthäufigkeit und die gleichmäßige Kühlung.
Voraussetzung für eine lange BHKW-Standzeit ist die ordnungsge- mäße Wartung und Instandhaltung. Die Erfahrungen zeigen, dass eine „große“ Inspektion etwa alle 40.000h, also nach ca. 6 bis 7 Be- triebsjahren, fällig ist.
3.2.9 Mehrmodultechnik
Bei großem Wärmebedarf des Vorsorgungsobjektes können mehrere Module gemeinsam betrieben und gesteuert werden. Dieser modulare Aufbau erlaubt es, zur Anpassung an den jeweiligen Wärmebedarf einzelne Module zu- oder abzuschalten. Dadurch wird eine bessere Auslastung der einzelnen Module erreicht. Auch hinsichtlich der elektrischen Leistung kann die Modultechnik von Vorteil sein. Nimmt man mehrere kleinere Motoren statt eines einzelnen großen, kann mit einer sicher verfügbaren elektrischen Leistung gerechnet werden, auch wenn mal ein Modul ausfällt. Somit können auch War- tungsarbeiten ohne eine Verringerung der errechneten Verfügbarkeit stattfinden[40].
3.3 Energieeinsatz und Emissionen
3.3.1 Energieeinsparung, Brennstoffwahl und Schadstoffemissionen
Wichtige Argumente für den Einsatz von BHKW sind die Energie- einsparung, die damit verbundene Energieressourcenschonung und die Reduzierung von Schadstoffemissionen. BHKW sparen Energie durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom im Gegen- satz zur getrennten Erzeugung in Kondensationskraftwerk und Kesselanlage.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Energieeinsparung durch Kraft-Wärme-Kopplung in einem BHKW[41]
Abbildung 12 stellt die getrennte Erzeugung von Strom im Kohle- kraftwerk bzw. Wärme durch eine Heizöl-Kesselanlage und die ge- koppelte Erzeugung durch ein erdgasbetriebenes BHKW gegenüber. Zur Erklärung: Um 36 Einheiten Strom und 51 Einheiten Wärme zu erzeugen, werden bei der getrennten Erzeugung 157 Einheiten und bei der gekoppelten Erzeugung 100 Einheiten benötigt. Aus diesem Vergleich ergibt sich beim Einsatz eines BHKW eine Primärenergie- einsparung von
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durch den geringeren Primärenergieeinsatz verringern sich auch die Abgasemissionen wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffoxide (NOx) und Staub bzw. Ruß. Die Emissionen, die bei der Erzeugung von Wärme und Strom ent- stehen, hängen also von der Art der Erzeugung (getrennte oder ge- koppelte Erzeugung), vom Brennstoff und vom Wirkungsgrad der Energieumwandlung ab. Während die Bildung von CO, NOx und Staub auch durch kontrollierte Verbrennungsbedingungen verringert werden kann, können die CO2- und SO2-Emissionen nur durch die Auswahl des Brennstoffs und durch die Reduzierung seines Verbrau- ches gesenkt werden. Nachdem in den 80er und 90er Jahren die für den „Sauren Regen“ verantwortlichen Emissionen SO2 und NOx in der öffentlichen Diskussion standen, geht es heute im Wesentlichen um das Treibhausgas CO2. Es ist verantwortlich für den sogenannten Treibhauseffekt, der die Erdtemperatur stetig ansteigen lässt. Die in der Atmosphäre enthaltenen Treibhausgase lassen die kurzwellige Sonnenstrahlung in Richtung Erde passieren, welche dann an der Erdoberfläche zu einem großen Teil reflektiert und als Wärmestrah- lung abgestrahlt wird. Die Treibhausgase können aufgrund ihrer chemischen Natur in unterschiedlichem Ausmaß die Wärmestrahlung absorbieren und so die Wärme wieder in die Atmosphäre abgeben. Die Treibhauswirksamkeit eines Gases, also wie stark ein Gas die Wärmestrahlung absorbieren und damit entsprechend zum Treib- hauseffekt beitragen kann, hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab,
- der Verweilzeit in der Atmosphäre,
- dem relativen Treibhauspotential und
- der Konzentration.
Die atmosphärische Verweilzeit ist die Zeit, die ein Stoff im Durch- schnitt in der Atmosphäre verbleibt, bevor er durch chemische oder andere Prozesse aus der Atmosphäre wieder entfernt wird. Je länger die Verweilzeit eines Treibhausgases ist, desto höher ist auch die theoretische Wirkung. Das relative Treibhauspotential (global war- ming potential, GWP) ist eine auf das Kohlendioxid normierte Grö- ße, mit der die Wirkung eines Treibhausgases mit der äquivalenten Menge Kohlendioxid verglichen wird. So hat beispielsweise Methan ein etwa 23 mal stärkeres Treibhauspotential als Kohlendioxid. Die Konzentration eines Treibhausgases in der Atmosphäre bestimmt dessen Beitrag zum Treibhauseffekt. Ein Treibhausgas mit hohem relativen Treibhauspotential aber niedriger Konzentration kann, in Abhängigkeit von der atmosphärischen Verweilzeit, einen geringeren Beitrag zum Treibhauseffekt leisten, als ein Treibhausgas mit niedri- gem relativen Treibhauspotential aber hoher Konzentration. Kohlen- dioxid ist, obwohl es aufgrund der Normierung nur ein relatives Treibhauspotential von 1 hat, wegen seiner vergleichsweise hohen Konzentration in der Atmosphäre das derzeit wichtigste antrophoge- ne Treibhausgas[42]. Sein Anteil in der Atmosphäre ist seit Beginn der Industrialisierung um ca. 30% angestiegen [43]. CO2 entsteht unweiger- lich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Durch die Auswahl des Brennstoffes kann auf die CO2-Emission Einfluss genommen werden. Je höher der Kohlenstoffanteil im fossilen Energieträger ist, um so höher sind auch die CO2-Emissionen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: Vergleich der CO2- Bildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger[44].
Das kohlenstoffarme Erdgas (Hauptbestandteil ist CH4) bildet bei der Verbrennung im Vergleich zur Steinkohle ca. 40% weniger CO2 bei gleichem Energieinhalt wie Abbildung 13 zeigt. Vergleicht man die CO2-Emissionen eines BHKW mit denen der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung ergibt sich folgende CO2-Emissonsentlastung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: CO2-Emission eines BHKW im Vergleich zur getrennten Strom- und Wärmeer- zeugung[45]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aus diesem Ergebnis wird deutlich, dass diese Art der KWK in Verbindung mit der Wahl des Brennstoffes einen sehr wertvollen Beitrag zur Umwelt- und Ressourcenschonung leistet.
Die Emissionsgrenzwerte, die von einer Feuerungsanlage emittiert werden dürfen sind im Bundes-Immissionsschutzgesetz geregelt.
3.3.2 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) und TA Luft
Anlagen, die schädliche Umwelteinwirkungen hervorrufen können, bedürfen einer Genehmigung. Die als genehmigungspflichtig einge- stuften Anlagen sind in der Vierten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Imissionsschutzgesetzes (4. BImSchG) aufgelistet. BHKW mit Verbrennungsmotoren sind demnach ab einer Feue- rungswärmeleistung von 1MW genehmigungspflichtig. Die „Techni- sche Anleitung zur Reinhaltung der Luft“ (TA Luft) ist eine Verwal- tungsvorschrift des BImSchG. Die darin enthaltenen Grenzwerte sind für genehmigungspflichtige BHKW-Anlagen auf jeden Fall einzuhal- ten. Allerdings müssen auch genehmigungsfreie BHKW dem soge- nannten „Stand der Technik“ genügen. Da die TA Luft diesen Stand der Technik repräsentiert, wird diese von einigen Aufsichtsbehörden für die Baugenehmigung von Neuanlagen herangezogen[46]. Die von einer Anlage ausgehenden Emissionen werden entweder als Massen- konzentration in mg/m³ bezogen auf 5vol.-% Sauerstoff im trockenen Abgas und im Normzustand (273,15K, 1.013,25mbar) oder als Mas- senstrom in kg/h gemessen. Dadurch wird verhindert, dass das Emis- sionsergebnis durch dem Abgas zugeführte Luftmengen verfälscht wird. Die Emissionswerte für Gas- und Dieselmotoren der aktuellen TA Luft von 2002 sind in den folgenden Tabelle 2 und 3 aufgeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Grenzwerte der TA Luft 2002 für Gasmotoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3: Grenzwerte der TA Luft 2002 für Dieselmotoren
Der SO2-Grenzwert für Gas-Otto-Motoren ist aufgrund des zu ver- nachlässigenden Schwefelgehaltes des Erdgases bei reinem Erdgas- betrieb ohne Bedeutung. Auch die geforderten CO-Werte werden mit den heutigen Anlagen meistens eingehalten. Diese sind bei ergas- und heizölbetriebenen BHKW gleich bemessen. Demgegenüber wer- den hinsichtlich der NOx-Emissionen an erdgasbetriebene BHKW erhebliche Anforderungen gestellt. Die zulässigen NOx-Grenzwerte liegen mit 250mg/m³ um die Hälfte niedriger als bei Selbstzün- dungsmotoren (Diesel- oder Gas-Dieselmotoren). Aber auch diese Grenzwerte werden von den meisten Herstellern eingehalten[47]. Zu beachten ist, dass die genannten Grenzwerte der TA Luft mit einer Dynamisierungsklausel belegt sind. Demnach sind diese nach dem jeweiligen Stand der Technik fortzuschreiben, da die TA Luft nur in gewissen Abständen novelliert wird (von der letzten bis zur aktuellen TA Luft 2002 sind 16 Jahre vergangen). In der Praxis bedeutet das eine jeweilige Reduzierung der Grenzwerte der TA Luft durch die zuständigen Genehmigungsbehörden.
3.3.3 Lärmemissionen
Der Geräuschepegel eines BHKW-Moduls wird hauptsächlich durch den Verbrennungsmotor (Zündung und Drehzahl) bestimmt. Beim Gasottomotor ist der Geräuschepegel nur etwa halb so groß wie der eines vergleichbaren Dieselmotors. Spezielle Schallschutzmaßnah- men am Modul, wie Abgasschalldämpfer, Schallschutzhauben, elas- tische Lagerung der Motor-Generator-Einheit und des Modulrah- mens begrenzen die Luft- und Körperschallübertragung an die Um- gebung. Das Modul wird schwingungsisoliert auf den Boden gesetzt und die anzuschließenden Rohrleitungen und Kanäle werden mit elastischen Elementen (Kompensatoren) akustisch getrennt. BHKW- Kompaktmodule können daher direkt in Heizzentralen aufgestellt werden. Je nach Bedarf kann für jedes einzelne BHKW-Aggregat eine Schallschutzhaube vorgesehen werden oder eine gemeinsame Schallschutzkabine für mehrere Aggregate[48]. Bei mit Schallschutz- hauben ausgestatteten Einzelaggregaten liegt der Schallpegel in 1m Abstand laut der ASUE-Veröffentlichung „BHKW-Kenndaten 2005“ bei einem 50kWel im Bereich von 62 bis 70dB(A)[49].
3.3.4 TA Lärm
Die Anforderungen an die Geräuschemissionen, die von technischen Anlagen verursacht werden, sind in der „Technischen Anleitung Lärm“ (TA Lärm) festgehalten und geregelt. Sie ist wie die TA Luft eine Verwaltungsvorschrift des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Die TA Lärm dient dem Schutz der Allgemeinheit und der Nachbar- schaft vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Geräusche sowie der Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen durch Geräu- sche. Die von einem BHKW ausgehenden Geräusche sind weitge- hend gleich bleibend. Als Grenze muss daher der für die Nachtzeit geltende Richtwert angesetzt werden. Nach der aktuellen TA Lärm 1998 ist der Immissionsrichtwerte für Immissionsorte außerhalb von Gebäuden für Krankenhäuser und Pflegeanstalten am Tag auf 45dB(A) und nachts auf 35dB(A) festgesetzt. Die maßgeblichen Immissionsorte liegen bei bebauten Flächen 0,5m außerhalb vor der Mitte des geöffneten Fensters des vom Geräusch am stärksten betrof- fenen schutzbedürftigen Raumes[50]. Langjährige Erfahrungen der Hersteller und Betreiber von BHKW haben zu bewährten Lösungen der Schalldämmung geführt, so dass dadurch ein sicheres Einhalten der Vorgaben der TA Lärm gewährleistet ist.
[...]
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Wirtschaftsingenieur Martin Weiss (Autor:in), 2005, Technische Auslegung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Block-Heizkraftwerk-Anlagen (BHKW), München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/63640
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