Das neue Energiesteuergesetz. Anlagendimensionierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse eines BHKW im Rapsöl-Betrieb.

Diploma Thesis , 2006 , 286 Pages , Grade: 1,7

Engineering - Industrial Engineering and Management

Nachdem der Problemaufriss und die Zielsetzung dieser Arbeit und der Notwendigkeit des Handelns im Bereich der Ressourceneinsparungen durch das einführende Kapitel 1 aufgezeigt wird, wird in Kapitel 2 der Einblick in die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gewährt. In diesem Abschnitt wird vorerst die Technik der KWK, deren Betriebsweisen und auch innovative Prozesse wie Stirling-Motoren und Brennstoffzellen vorgestellt. Die Anwendung der KWK-Technik in den Blockheizkraftwerken und insbesondere der Unterschied von Pflanzenöl-BHKW werden aufgezeigt. Auch werden hier die Umweltaspekte berücksichtigt. Weiterhin wird in Kapitel 3 der Brennstoff Rapsöl in seinen Stoffeigenschaften, dessen Herstellung und kurze Geschichte näher vorgestellt. In dem darauf folgenden Kapitel 4 werden alle rechtlichen und steuerlichen Rahmenbedingungen vorgestellt und klar definiert, welche unbedingt einzuhalten sind. Nach der Dimensionierung der Anlage durch Verbrauchsdaten im Kapitel 5 werden weiterhin in diesem Kapitel die angefragten Angebote von verschiedenen BHKW-Herstellern zusammengetragen. Das Kapitel 6 beinhaltet die Wirtschaftlichkeitsanalyse der BHKW. In diesem Kapitel werden die technischen sowie wirtschaftlichen Daten detailliert aufgewiesen und im Anschluss die statischen und dynamischen Investitionsrechenverfahren erläutert und ebenfalls werden die Ergebnisse der Anwendung präsentiert. Um auf eine Gesamtbetrachtung bei veränderten Rahmenbedingungen zu gelangen, werden in dem Kapitel 7 Alternativbetrachtungen durchgeführt, die mit dem Höhepunkt des best und worst case abgeschlossen werden. Des Weiteren erfolgen in Kapitel 8 die Ergebnisauswertung der Alternativbetrachtungen und deren kritische Würdigung. Das abschließende Kapitel 9 rundet, durch eine Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse und einen Ausblick, die vorliegende Arbeit ab.
In diesem Zusammenhang wird auf den Anhang verwiesen, indem textbegleitende Abbildungen, Informationen, Form- und Antragsblätter, Angebote der BHKW-Anlagen, sowie Angebote zur Rapsöllieferungen, Tankanlagen und ebenso die betrachtenden Wirtschaftlichkeitsberechnungen vorzufinden sind.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemaufriss und Zielsetzung
1.2 Vorgehen und Aufbau der Arbeit
1.3 Thematische Abgrenzung

2 Einblick in die Technik der BHKW
2.1 Von der Kraft-Wärme-Kopplung zum BHKW
2.1.1 Betriebsweisen von Dampfkraftwerken
2.1.2 Gasturbinen mit Abhitzenutzung
2.1.3 GuD-Anlagen
2.1.4 Innovative Prozesse
2.2 Grundlagen der BHKW-Technik
2.2.1 Begriffsdefinition
2.2.2 Anlagenkomponenten
2.2.3 Brennstoffe
2.2.4 Betriebsarten
2.3 Pflanzenöl-BHKW
2.3.1 Pflanzenöltaugliche Motoren
2.3.2 Abgasemissionen
2.4 Umweltaspekte
2.5 Einsatzgebiete

3 Brennstoff: Rapsöl
3.1 Stoffeigenschaften und Qualitätssicherung
3.2 Entwicklung des Rapsöls bis heute
3.3 Rapsölgewinnung

4 Rechtliche und steuerliche Rahmenbedingungen für BHKW
4.1 Genehmigungsrechtliche Grundlagen
4.1.1 Baurechtliche Genehmigung
4.1.2 Immissionsschutzrechtliche Genehmigung
4.1.3 Genehmigung nach dem KWK-Gesetz
4.1.4 Anmeldung beim örtlichen Stromversorgungsunternehmen
4.2 Emissionsbegrenzungen
4.2.1 Schadstoffemissionen
4.2.2 Lärm- und Erschütterungsschutz
4.3 Steuerrechtliche Grundlagen
4.3.1 Mineralölsteuer (MinöStG)
4.3.2 Stromsteuer (StromStG)
4.3.3 Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKModG)
4.3.4 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
4.3.5 Energiesteuergesetz (EnergieStG)

5 Auslegung des BHKW
5.1 Anlagendimensionierung
5.2 Dimensionierung der Brennstoffmengen
5.3 Angebote

6 Wirtschaftlichkeitsanalyse der BHKW
6.1 Aufbau und Vorgehensweise der Wirtschaftlichkeits-berechnung
6.2 Technische Daten
6.2.1 Leistungsdaten der BHKW-Module
6.2.2 Betriebsdaten der BHKW-Module
6.3 Wirtschaftliche Daten
6.3.1 Investitionskosten
6.3.2 Betriebskosten
6.4 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
6.4.1 Statische Investitionsrechenverfahren
6.4.2 Dynamische Investitionsrechenverfahren
6.5 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

7 Alternativbetrachtungen
7.1 Wirtschaftlichkeitsberechnung mit niedrigem Rapsölpreis
7.2 Wirtschaftlichkeitsberechnung mit höherem Rapsölpreis
7.3 Vergleich von best und worst case

8 Ergebnisauswertung der Alternativen und kritische Würdigung

9 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang A: Technische Bilder, Abbildungen, Verfahren

Anhang B: Projekt Mahler System

Anhang C: Genehmigungsrechtliche Anträge und Formblätter

Anhang D: Höhe und Dauer der Zuschläge für KWK-Strom

Anhang E: Stellungnahme zum Energiesteuergesetz

Anhang F: Abbildungen zum Auslegungsverfahren von BHKW ohne Verbrauchsdaten

Anhang G: Angebote der BHKW-Anlagen

Anhang H: Wartungsverträge

Anhang I: Preisangebote für Rapsöllieferungen

Anhang J: Preisangebote für Tankanlagen

Anhang K: Wirtschaftlichkeitsberechnungen mit 60 Cent/Liter

Anhang L: Wirtschaftlichkeitsberechnungen mit 70 Cent/Liter

Anhang M: Jahreskostenüberschüsse bei Steigerung des Rapsöl- und Erdgaspreises

Anhang N: best und worst case

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Stromerzeugung im Kraftwerk: 45-60%Verluste

Abbildung 2: Prinzip der KWK mit Dampfturbinenprozess

Abbildung 3: Strom- und Wärmeerzeugung im Heizkraftwerk: ca. 20% Verlust

Abbildung 4: Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung im BHKW: ca. 10% Verlust

Abbildung 5: Dampfkraftprozess mit Gegendruckturbine

Abbildung 6: Dampfkraftprozess mit Entnahmekondensationsturbine

Abbildung 7: Grundprinzip der KWK mit Gasturbinenprozess

Abbildung 8: Gasturbinenprozess mit Wärmerückgewinnung

Abbildung 9: Prinzip der KWK mit GuD-Prozess

Abbildung 10: Prinzip des Stirlingmotors

Abbildung 11: Aufbau einer KWK-Anlage mit Stirlingmotor

Abbildung 12: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Abbildung 13: Anlagenschema eines BHKW

Abbildung 14: Definition und Abgrenzung der BHKW-Komponenten

Abbildung 15: BHKW mit Bauteilbezeichnung

Abbildung 16: Funktionsschema eines Pflanzenöl-BHKW

Abbildung 17 und 18: CO-Emissionen und NOx-Emissionen

Abbildung 19: Staub-Emissionen

Abbildung 20: Einsatzgebiete von Verbrennungsmotor BHKW

Abbildung 21: Rapskörner

Abbildung 22: Qualitätsstandard für Rapsölkraftstoff

Abbildung 23: Rapsölkraftstoffqualität nach DIN V 51605

Abbildung 24: Verwendung von Rapsöl (2005)

Abbildung 25: Rapsölgewinnung in dezentralen Anlagen

Abbildung 26: Rapsölgewinnung in zentralen Anlagen

Abbildung 27: Gesamtvergütung nach KWKModG

Abbildung 28: Jahresdauerlinie der Stift Tilbeck GmbH

Abbildung 29: JDL mit zusätzlicher Kennzeichnung der Wärmebezugsfläche

Abbildung 30: Ausgangsdaten / Verbrauchsdaten

Abbildung 31: Aufbau der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Abbildung 32: Methoden der statischen Investitionsrechenverfahren

Abbildung 33: Methoden der dynamischen Investitionsrechenverfahren

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Ergebnisse der Abgasemissionsmessungen

Tabelle 2: Emissionsgrenzwerte für Anlagen >1MW Feuerungswärmeleistung

Tabelle 3: Orientierungswerte für Anlagen <1MW Feuerungswärmeleistung

Tabelle 4: Immissionsrichtwerte nach TA-Lärm

Tabelle 5: Vergütungssätze für Strom aus reinem Pflanzenöl

Tabelle 6: Besteuerungsbeiträge für Pflanzenöl und Biodiesel

Tabelle 7: Durchschnittliche Einbindungskosten

Tabelle 8: Kalkulation der Vollwartungskosten mit Preisanpassung

Tabelle 9: Instandhaltungskosten je nach Anlagengröße

Tabelle 10: Wirtschaftlichkeitsberechnung – Leistungsdaten

Tabelle 11: Wirtschaftlichkeitsberechnung - Betriebsdaten

Tabelle 12: Wirtschaftlichkeitsberechnung - Kosten

Tabelle 13: Ergebnisse der Investitionsrechnungen

Tabelle 14: Auswertung (60 Cent/Liter und Vollwartung)

Tabelle 15: Auswertung (60 Cent/Liter und Eigenwartung)

Tabelle 16: Jahreskostenüberschüsse bei Senkung der Einspeisevergütungen um 10%

Tabelle 17: Jahreskostenüberschüsse bei Senkung der Einspeisevergütungen um 10%

Tabelle 18: Jahreskostenüberschüsse bei Steigerung des Rapsölpreises

Tabelle 19: Ergebnisse des best und worst case

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kapitel 1

1 Einleitung

1.1 Problemaufriss und Zielsetzung

In unserem Zeitalter ist die Energie von besonderer Wichtigkeit. Sie ist eine grundlegende Ressource für Wohlstand, Sicherheit und Unabhängigkeit. Sie treibt Maschinen an, befördert Menschen, ermöglicht die Zubereitung von Nahrung, spendet Wärme und Licht, unterstützt den Zugang und die Aufbereitung von Informationen und erspart somit Zeit. Eine Lebensform ohne sie, ist für uns unabdingbar und weltweit stehen wir vor einer steigenden Energienachfrage.

Die heutige Energieversorgung bringt jedoch zahlreiche und viel diskutierte Probleme mit sich. Die Verbrennung fossiler Energierohstoffe - Kohle, Öl und Erdgas - setzen Schadstoffe und Kohlendioxide (CO2) frei. Die Folgen sind bekannt: Stickoxide verursachen sauren Regen und sind für das Waldsterben verantwortlich, Kohlendioxide wirken als „Klimagase“ und können zu weit reichenden Veränderungen des Weltklimas führen. Wir können vermehrt Stürme und Hochwasserereignisse, sowie andere Naturkatastrophen beobachten. Zudem sind die heutigen fossilen Energierohstoffe nicht unendlich, sie werden nach und nach zur Neige gehen. Der energetischen Nutzung von Biomasse kommt daher unter den Aspekten des Klimaschutzes, der Ressourcenschonung und der effizienten Energienutzung eine wachsende Bedeutung für die Energieversorgung zu.

Darüber hinaus wird in Deutschland für das Beheizen von Gebäuden etwa ein Drittel des Endenergieverbrauchs aufgewendet. Dies ist eine große Menge, um hier Einsparungen und Effizienzverbesserungen durchzuführen. Energieeffizienz ist heute in allen Bereichen unserer Gesellschaft ein wichtiges Thema. Letztendlich bedeutet Energieeffizienz auch eine Reduzierung von klimarelevanten Emissionen und damit praktizierten Klima- und Umweltschutz.

Um Klima- und Umweltproblemen entgegenzuwirken, werden verstärkt regenerative Energien eingesetzt. Auch Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen tragen zum Klimaschutz bei. Durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom sind sie unbestritten eine ressourcenschonende Art der Nutzenergie-Bereitstellung. Sie ermöglichen bei gleichem Brennstoffeinsatz höhere Wirkungsgrade und dadurch mehr Energiegewinn. Die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme durch ein Pflanzenöl, wirkt außerdem der stärker wachsenden Abhängigkeit an Öl und Gas entgegen.

Die Zielsetzung dieser Diplomarbeit besteht zu einem darin, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) im Rapsöl-Betrieb anhand der Verbrauchscharakteristik des Kunden Stift Tilbeck GmbH der EMS Energieconsulting zu dimensionieren, zum anderen die Wirtschaftlichkeit zu beurteilen. Die Diplomarbeit zielt auf eine sehr praxisnahe Betrachtung und Beurteilung des Vorhabens. Deshalb sollen bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung möglichst wenige Annahmen getroffen und dafür mehr Angebote aus der Praxis berücksichtigt werden. Daher soll die Analyse der Wirtschaftlichkeit an mehreren BHKW-Anlagen durchgeführt werden. Die Diplomarbeit soll herausarbeiten, ob sich der Betrieb eines Rapsöl-BHKW im Gegensatz zum Erdgas-Betrieb mit den heute gegebenen Rahmenbedingungen rechnet. Zu diesen Rahmenbedingungen gehören insbesondere die steuerlich rechtlichen, sowie politischen Gesetzgebungen. Hauptsächlich ist es auch die Aufgabe herauszufinden, ob das neue Energiesteuergesetz, welches während der Erarbeitung dieser Diplomarbeit in Kraft getreten ist, grundlegende Veränderungen für Pflanzenöl-BHKW mit sich bringt.

Zusätzlich soll die Arbeit auch Rahmenbedingungen vorgeben, zuletzt auch angeregt durch die Änderung der Energiesteuer, indem verbesserte oder verschlechterte Situationen untersucht werden.

Die Diplomarbeit soll kurz gefasst bei der Planung des Betriebes eines Rapsöl-BHKW alle hierfür notwendigen und weiterhin alle rechtlichen Schritte aufzeigen, sowie die wirtschaftlichen Vorteile und Nachteile aufweisen.

1.2 Vorgehen und Aufbau der Arbeit

Nachdem der Problemaufriss und die Zielsetzung dieser Diplomarbeit und der Notwendigkeit des Handelns im Bereich der Ressourceneinsparungen durch das einführende Kapitel 1 aufgezeigt wird, wird in Kapitel 2 der Einblick in die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gewährt. In diesem Abschnitt wird vorerst die Technik der KWK, deren Betriebsweisen und auch innovative Prozesse wie Stirling-Motoren und Brennstoffzellen vorgestellt. Die Anwendung der KWK-Technik in den Blockheizkraftwerken und insbesondere der Unterschied von Pflanzenöl-BHKW werden aufgezeigt. Auch werden hier die Umweltaspekte berücksichtigt. Weiterhin wird in Kapitel 3 der Brennstoff Rapsöl in seinen Stoffeigenschaften, dessen Herstellung und kurze Geschichte näher vorgestellt. In dem darauf folgenden Kapitel 4 werden alle rechtlichen und steuerlichen Rahmenbedingungen vorgestellt und klar definiert, welche unbedingt einzuhalten sind. Nach der Dimensionierung der Anlage durch Verbrauchsdaten im Kapitel 5 werden weiterhin in diesem Kapitel die angefragten Angebote von verschiedenen BHKW-Herstellern zusammengetragen. Das Kapitel 6 beinhaltet die Wirtschaftlichkeitsanalyse der BHKW. In diesem Kapitel werden die technischen sowie wirtschaftlichen Daten detailliert aufgewiesen und im Anschluss die statischen und dynamischen Investitionsrechenverfahren erläutert und ebenfalls werden die Ergebnisse der Anwendung präsentiert. Um auf eine Gesamtbetrachtung bei veränderten Rahmenbedingungen zu gelangen, werden in dem Kapitel 7 Alternativbetrachtungen durchgeführt, die mit dem Höhepunkt des best und worst case abgeschlossen werden. Des Weiteren erfolgen in Kapitel 8 die Ergebnisauswertung der Alternativbetrachtungen und deren kritische Würdigung. Das abschließende Kapitel 9 rundet, durch eine Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse und einen Ausblick, die vorliegende Arbeit ab.

In diesem Zusammenhang wird auf den Anhang verwiesen, indem textbegleitende Abbildungen, Informationen, Form- und Antragsblätter, Angebote der BHKW-Anlagen, sowie Angebote zur Rapsöllieferungen, Tankanlagen und ebenso die betrachtenden Wirtschaftlichkeitsberechnungen vorzufinden sind.

1.3 Thematische Abgrenzung

Diese Diplomarbeit strebt die Betrachtung von BHKW mit dem Brennstoff Rapsöl an. Die konventionelle Versorgungsart im Erdgas-Betrieb wird in der Betrachtung nur zum Vergleich herangezogen. Im Rahmen dieser Arbeit wird kein Vergleich der unterschiedlichen Brennstoffe angestrebt, sondern lediglich die Wirtschaftlichkeit der BHKW-Anlagen im Rapsöl-Betrieb.

Kapitel 2

- Einblick in die Technik der BHKW -

„Das dringendste Problem der Technologie von heute ist nicht mehr die Befriedigung von Grundbedürfnissen und uralten Wünschen der Menschen, sondern die Beseitigung von Übeln und Schäden, welche uns die Technologie von gestern hinterlassen hat.“

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Dennis Gabor (ungar.-brit. Physiker) -

2 Einblick in die Technik der BHKW

2.1 Von der Kraft-Wärme-Kopplung zum BHKW

Die klassische Art der Stromerzeugung ist die über den Dampfkraftprozess. Noch heute kommen in Deutschland 90% der Stromerzeugung aus großen Wärmekraftwerken, die den Dampfkraftprozess nutzen. Das Ziel bei dem Prozess ist, die Energie der Brennstoffe zu Elektrizität umzuwandeln. Der Dampfkraftprozess bedient sich an Dampfturbinen und erzeugt Energie auf vorwiegend fossiler Brennstoffbasis.

Dampfturbinenanlagen stellen im industriellen Bereich die meist eingesetzte Komponente der Kraft-Wärme-Kopplung dar. Die typischen und auch häufigsten Einsatzgebiete für industrielle Dampfturbinenanlagen sind in der Papier- und Zellstoffindustrie, sowie in der chemischen Industrie. Laut IER-Kraftwerks-Bestands-Datenbank (Basis Jahr 2000) waren 283 Dampfturbinen in Deutschland in der Industrie im Einsatz; davon waren 189 Gegendruckdampfturbinen und 94 Entnahme-kondensationsturbinen. Zusammen leisteten diese Dampfturbinen eine Leistung von 8.313 MWel, wohingegen im industriellen Sektor Gasturbinen und Verbrennungs-motoren eine Leistung von 3.396 MWel lieferten.^[1] Die Dampfturbinen mit Abwärmenutzung stellen somit einen wichtigen Grundbestandteil der Kraft-Wärme-Kopplung dar.

Der Dampfturbinenprozess ist ein Kreisprozess. Wird der Dampfkraftprozess ausschließlich zur Stromerzeugung genutzt, d.h. seine abzugebende Wärme über einen Kondensator an die Umgebung abgegeben, so wird von einem Kondensationskraftwerk gesprochen.

Bei Prozeßbeginn verbrennt der Brennstoff in einem Heizkessel und überträgt die freigesetzte Energie an ein Wasserdampfsystem. Über Dampfturbinen wird der Dampf entspannt und treibt die angekoppelten Stromgeneratoren an. Somit lässt sich mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Anschließend kondensiert der Wasserdampf und wird nach der Druckerhöhung als Wasser dem Prozess wieder zugeführt.^[2] Es wurde schon seit dem Beginn der Stromerzeugung versucht, aus dem Brennstoff möglichst viel Strom zu gewinnen. Leider sind diesem physikalische Grenzen gesetzt. (Thermodynamisch wird die Grenze durch den Carnot-Wirkungsgrad beschrieben;

ηc= 1-Tu / To untere und obere Temperatur des Kreisprozesses).^[3]

Ein modernes Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von ungefähr 40% bis 45%, bei einem Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD) erreicht es einen Wirkungsgrad bis zu 55%.^[4] D.h. aus 100% Brennstoffenergie können in etwa nur 40% bis 55% Strom zur Nutzung erzeugt werden. In der Praxis bedeutet dies Verluste in der Größenordnung von 45% bis 60% (siehe Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Stromerzeugung im Kraftwerk: 45-60%Verluste^[5]

Diese Verluste fallen als Abwärme an, die nutzlos die Atmosphäre erwärmen. Es liegt daher nahe, diese Abwärme auf irgendeine Art und Weise zu nutzen. Die Abwärme fällt aber konzentriert und in großen Mengen am Kraftwerksstandort an, wo nicht genügend oder gar kein Wärmebedarf in solcher Größenordnung vorhanden ist. Ein Transport von Wärme in Form von Heißwasser (sog. Fernwärme) über längere Strecken kommt praktisch nicht in Frage. So beschränkt sich die Abwärmenutzung auf einige wenige Fernwärmegebiete - üblich sind Transportwege bis 10 km.

Um nun die Abwärme eines Dampfkraftprozesses nutzen zu können, muss der Dampf bei höheren Temperaturen entnommen oder kondensiert werden. Dadurch wird die Abwärme zu Nutzwärme und kann zu Heizzwecken verwendet werden. Da durch Auskopplung der Wärme aus dem Dampfkraftprozess zu der Nutzung der Brennstoffenergie in Form von Kraft (elektrischer Strom), nun die externe Nutzung von Wärme hinzukommt, wird in solchen Fällen von Kraft-Wärme-Kopplung gesprochen.^[6]

Die folgende Abbildung verdeutlicht das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung mit einem Dampfturbinenprozess:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prinzip der KWK mit Dampfturbinenprozess^[7]

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird folgendermaßen definiert:

„Kraft-Wärme-Kopplung ist die gekoppelte Erzeugung und Nutzung von Strom und Wärme. In KWK-Anlagen wird die Abwärme, das ‚Abfallprodukt’ der Stromerzeugung, über Wärmetauscher ausgekoppelt und als Nutzenergie bereitgestellt. Über Wärmenetze kann sie an einzelne Verbraucher verteilt und zum Heizen genutzt werden.“ ^[8]

Die gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme ermöglicht zirka 80% der Primärenergie zu nutzen und es fällt nur ein Verlust von ca. 20% an (siehe Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Strom- und Wärmeerzeugung im Heizkraftwerk: ca. 20% Verlust^[9]

Die Weiterentwicklung der KWK kann einen höheren Nutzanteil und niedrigeren Verlust verursachen. Hier gewinnen die Blockheizkraftwerke (BHKW) an Bedeutung. BHKW sind kompakte Heizkraftwerke, die mit Motoren betrieben werden und die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen. Die Entwicklung von BHKW machte es möglich die KWK auch für kleinere Objekte zu erschließen, die nicht an ein Nah- oder Fernwärmenetz angeschlossen sind. Sie können durch ihre dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme auch kleinere Liegenschaften versorgen, wohingegen KWK mit Dampfturbinenprozessen ihren Einsatz nur bei sehr großen Bedarfen finden. Der BHKW erzeugt Strom und Wärme dort, wo sie auch gebraucht und genutzt werden. Daher treten, wie auch die Abbildung 4 zeigt, nur minimale Übertragungsverluste von ca. 10% auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung im BHKW: ca. 10% Verlust^[10]

Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind komplexer aufgebaut als einfache Dampfkraftwerke, deren Prinzip bereits oben erläutert wurde. Nachfolgend werden die wichtigsten Prinzipvarianten der Kraftwärmekopplung kurz beschrieben.

Meist wird zwischen Gasturbinen mit Abwärmenutzung und Kombi-Anlagen (GuD-Anlagen) entschieden, diese werden im Abschnitt 2.1.2 und 2.1.3 beschrieben. Vorerst sollen hier aber die grundlegenden Betriebsweisen von Dampfkraftprozessen, im Hinblick auf die Stromerzeugung dargestellt werden. Die unterschiedlichen Funktionsweisen werden unterschieden in Gegendruckbetrieb, Kondensationsbetrieb und dem Entnahme-Kondensationsbetrieb.

2.1.1 Betriebsweisen von Dampfkraftwerken

Gegendruckbetrieb. Die einfachste Art der KWK mit Dampfturbinen ergibt sich durch eine Gegendruckschaltung. Bei dem Gegendruck-Dampfkraftwerk erfolgt die Expansion des gesamten Dampfmassenstroms in der Turbine nur bis zu einem bestimmten Gegendruck. Die Höhe des Gegendrucks richtet sich nach den Erfordernissen der Wärmeabnehmer und damit der jeweiligen Wärmenachfrage-charakteristik.^[11]

Die Abbildung 5 stellt einen einfachen Gegendruckprozess dar. In dem Dampfkessel wird Hochdruckdampf erzeugt und in der Gegendruckdampfturbine entspannt. Die Energie aus diesen Kraftmaschinen dient dem direkten Antrieb von Maschinen oder wird mittels Generatoren in Strom umgewandelt. Der entspannte Dampf nach der Turbine wird als Prozesswärme oder als Heizwärme benutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Dampfkraftprozess mit Gegendruckturbine^[12]

Dieser Prozess ist interessant, je höher und vor allem je gleichmäßiger die Wärmenachfrage über das Jahr ist. Daher ist der Einsatz von Gegendruckturbinen dann sinnvoll, wenn der oder die Abnehmer eine möglichst konstante Jahreswärmenachfrage aufweisen. Derartige Anlagen werden daher meist im Hinblick auf die Deckung der Wärmenachfrage ausgelegt.^[13]

Kondensationsbetrieb. Das Ziel des Kondensationsbetriebes ist die ausschließliche Stromerzeugung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad. Der Dampf wird in der Turbine bis auf einen möglichst geringen Druck des die Turbine verlassenden Abdampfes entspannt. Der Abdampf wird anschließend im Kondensator niedergeschlagen. Da im Kondensator ein Druck von 20 bis 100 mbar üblich sind, wird der Abdampf praktisch unter dem Umgebungsdruck entspannt. Der größte Verlust eines Kondensationskraftwerkes stellt die Kondensationswärme dar, denn sie muss als Abwärme an die Umgebung abgeführt werden. Bei der Auslegung wird deshalb versucht mit einem kalten Kühlmedium einen möglichst geringen Abdampfdruck an der Turbine einzustellen, um so einen hohen Wirkungsgrad zur Stromerzeugung zu erzielen. Aufgrund der Zielrichtung keine Wärme aus der KWK-Anlage auszukoppeln, sondern nur Strom zu erzeugen, fällt die Abwärme typischerweise ab 30°C bis 40°C an und kann damit kaum noch technisch genutzt werden.^[14] In Industriekraftwerken könnte die Abwärme mit diesen Temperaturen durch eine Wärmepumpe noch genutzt werden.

Entnahme-Kondensations-Betrieb. Diese Betriebsweise ermöglicht auch bei schwankender Wärmenachfrage eine effiziente Stromerzeugung. Die Heizleistung kann gezielt an den Wärmebedarf angepasst werden. Es besteht die Möglichkeit, den Dampf in der Turbine vollständig zu entspannen, also einen ausschließlichen Kondensationsbetrieb zu realisieren. Es ist aber auch möglich einen Teil der Dampfmenge auf dem für die weitere Nutzung gewünschten Druck- und Temperaturniveau aus dem Prozess zu entnehmen und einer anderen Verwendung (z.B. der Erzeugung von Fernwärme) zuzuführen. Wird keine Heizwärme benötigt, kann die gesamte Dampfmenge in Strom umgewandelt werden. Um das Entnahme-Kondensations-Kraftwerk wie ein konventionelles Kondensationskraftwerk betreiben zu lassen, ist für die anfallende Abwärme ein Kühlturm nötig. Diese Variante ist mit technischem Aufwand verbunden, daher ist dies erst ab größeren elektrischen Leistungen sinnvoll. Dadurch sinkt auch der Gesamtwirkungsgrad - im Vergleich zum ausschließlichen Gegendruck-Betrieb - weil die gesamte Abwärme ungenutzt bleibt.^[15]

Die Abbildung 6 verdeutlicht das Schema des Prozesses auf Basis einer Entnahmekondensationsturbine:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Dampfkraftprozess mit Entnahmekondensationsturbine^[16]

Das Verhältnis zwischen Strom und Wärme ist bei diesem Prozess variabel. Eine Auskopplung des Dampfes ist aus energetischen Gründen aber erst nach einer Teilentspannung in der Turbine auf ca. 20 bar sinnvoll, so dass im Regelfall der Prozessdampf mit einer Temperatur von maximal 220 °C zur Verfügung steht.

Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Entkopplung der Stromerzeugung von der Wärmenachfrage. Mit einer steigenden Wärmenachfrage ist allerdings ein Rückgang der Stromproduktion zu verzeichnen, da weniger Dampf in der Turbine bis zur vollständigen Entspannung verbleibt. Da aber nur ein Teilstrom zur Wärmeerzeugung entnommen und der Rest vollständig zur Stromerzeugung genutzt wird, ist die Stromausbeute in der Regel höher als beim Einsatz einer Gegendruckturbine. Die höheren Investitionskosten dieser Turbinenart, gegenüber einer Gegendruckturbine machen diese Technologie erst für Anlagen im größeren Leistungsbereich rentabel.^[17]

Das „Herzstück“ eines Dampfturbinenprozesses stellt die Dampfturbine dar. Das Turbinenschaufelrad besteht aus einer Vielzahl von Schaufelrädern. Die Schaufeln der Lauf- und Leiträder werden zum Ausgang hin immer größer, da sich der Dampf mit abnehmendem Druck stark ausdehnt. Im Anhang ist eine große Dampfturbine von Siemens abgebildet (Abb. A1), welche für die mittelständischen, industriellen Anwendungen kaum in Frage kommen wird. Der Schnitt aber soll den prinzipiellen Aufbau einer Turbine mit mehreren Stufen verdeutlichen. Die verschiedenen Druckstufen unterscheiden sich nicht nur in der Größe der Schaufelkränze, sondern auch in der Form der Schaufeln. Die Schaufeln weisen für den jeweiligen Druck eine optimierte Form auf.^[18]

2.1.2 Gasturbinen mit Abhitzenutzung

Gasturbinen sind Verbrennungskraftmaschinen. Sie wandeln in einem kontinuierlichen Prozess Brennstoffenergie und innere Energie des Abgases in Bewegungsenergie einer Welle um. Die Energie des Abgases, welche in einem Temperaturniveau von 400°C-600°C anfällt, kann genutzt werden für:

- die Erzeugung von Frischdampf für nachgeschaltete Dampfturbinenprozesse,
- Prozessdampf für die Produktion,
- Heiß- oder Warmwasser für Fern- und Nahwärmenetze.

Die folgende Abbildung zeigt das Grundprinzip der KWK mit einer Gasturbine:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Grundprinzip der KWK mit Gasturbinenprozess^[19]

Die häufigste Technologie der KWK mit Gasturbinen ist die Heizwasser- und Dampferzeugung. Abhitzekessel werden zur Ausnutzung von thermischer Energie, die in Form von Enthalpie in Abgasen von Gasturbinen, Verbrennungsmotoren, Schmelzöfen oder anderen technologischen Anlagen anfällt, angewendet. Sie erwärmen Wasser oder erzeugen Dampf. Auch beides kann in einem Abhitzekessel durchgeführt werden. Abhitzekessel bestehen hauptsächlich aus Bündeln von Rippenrohren. Im Anhang (Abb. A2; A3; A4) sind ein Abhitzekessel, Rippenrohre der Abhitzekessel sowie ein Schnitt durch eine Gasturbine größerer Leistung abgebildet.

Bei Gasturbinen wird elektrische Energie durch vollständige Verbrennung erzeugt. Sie besitzen im Gegensatz zu konventionellen Gasturbinenprozessen eine externe Brennkammer (siehe Abbildung 8). Durch die Verbrennung wird die Energie direkt in drehende Bewegung umgesetzt. Nach der Arbeitsleistung in der Turbine expandieren die heißen Rauchgase und erzeugen Nutzwärme. Die Wärme verlässt die Turbine mit einem sehr hohen Luftüberschuss und einer Temperatur zwischen 450°C-600°C. Der Vorteil der Gasturbinen für die KWK ist die auf hoher Temperatur anfallende Wärmeabfuhr über das Abgas. Die Abgase können zur Trocknung oder Wärmevergütung von Produkten (Ziegeleien oder sonstige Ofenprozesse) verwendet werden. Sie können aber auch indirekt einem Abhitzekessel zugeführt werden, der Heißwasser oder Dampf erzeugt.^[20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Gasturbinenprozess mit Wärmerückgewinnung^[21]

Da das Temperaturgefälle zur Stromerzeugung höher ist als die Dampfkraftmaschinen, wurden Gasturbinen in den letzten 30 Jahren häufiger eingesetzt. Auch die spezifische Stromausbeute ist höher als die Dampf-HKW, aber niedriger als bei Verbrennungsmotoren.

Es sind sehr einfache Abhitze-Kesselkonstruktionen bei hohen Rauchgastemperaturen möglich, wobei die Heizflächen zum Verdampfen des Wassers oder zur Erwärmung des Heizwassers in einfacher Weise in den Rauchgasstrom eingehängt sind. Es kann aber durch einen Zusatzbrenner im Abhitzekessel ein höherer Wärmebedarf gedeckt werden, ohne dass die Stromerzeugung beeinflusst wird.

Wegen ihrer geringeren Baugröße im Gegensatz zu Dampf-HKW und des problemlosen Einsatzes von Erdgas fanden die Gasturbinen in der mittelständischen Industrie, sowie als verbrauchernahe und dezentrale HKW für die Kommunen Anwendung. Der elektrische und der Gesamtwirkungsgrad sowie die Stromausbeute sind aber bei Motor-BHKW höher.^[22]

2.1.3 GuD-Anlagen

GuD-Anlagen (Gas- und Dampfturbinen-Anlagen) stellen eine Kombination von Dampf- und Gasturbinen dar. Die GuD-Heizkraftwerke sind Wärmekraftwerke, bei denen ein offener Kreisprozess mit Gas als Energieträger und ein Kreisprozess mit Dampf als Energieträger kombiniert wird. Gemeint ist ein Kombinationsprozess, indem eine Gasturbine einem Dampfkessel vorgeschaltet wird, mit dem Ziel, den elektrischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu verbessern. Der unten abgebildete Prozess (Abbildung 9) verdeutlicht eine KWK mit einer GuD-Anlage.^[23]

Das Grundprinzip dieser Art des Heizkraftwerkes besteht in der Umwandlung von mechanischer Energie (Gasturbine und Dampfturbine) in elektrische Energie durch den Generator. Die heißen Abgase der Gasturbine werden in einem Abhitzekessel ohne oder mit Zusatzfeuerung zur Erzeugung von Frischdampf für die Dampfturbine verwendet. Die Wärmeenergie des Austrittdampfes an der Turbine wird zur Bereitstellung der Wärme verwendet. Je nach Wärmeanforderung kann die Dampfturbine als Gegendruck-Turbine oder als Entnahme-Kondensationsturbine betrieben werden.^[24] Im Anhang (Abb. A6 und Abb. A7) befinden sich Prozessschemen zu GuD-Anlagen mit Gegendruckturbine bzw. mit Entnahme-Kondensationsturbine.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Prinzip der KWK mit GuD-Prozess^[25]

Die elektrische Leistung wird einerseits durch die Gasturbine und andererseits durch die Dampfturbine erzeugt. Aufgrund der Kopplung des Gas- und Dampfturbinenprozesses zeichnen sich GuD-Anlagen durch hohe elektrische Wirkungsgrade und hohe Stromkennzahlen aus. Anlagen, die mit befeuerten Abhitzekesseln betrieben werden haben den Vorteil, dass sie sich äußerst flexibel dem tatsächlich vorhandenen Strom- und Wärmebedarf anpassen lassen.^[26]

2.1.4 Innovative Prozesse

Als innovativ werden jene Prozesse bezeichnet, deren Technologie in der Praxis noch nicht einsetzbar oder nur bedingt, d.h. noch nicht in Massen, einsetzbar ist, weil sie nicht soweit ausgereift sind. Diese Technologien befinden sich größtenteils im Entwicklungsstadium bzw. sind noch nicht genügend erprobt.

Einige werden hier dargestellt.

Stirling-Motoren. Der Einsatz von Stirling-Motoren in BHKW befindet sich noch in der Entwicklung. Wie der Dampfturbinenprozess ist auch der Stirling-Motor eine Wärmekraftmaschine mit externer Verbrennung, in der eine konstante Gasmenge zyklisch komprimiert und expandiert wird.^[27] In dem Motor bewegen sich zwei Kolben, der so genannte Verdrängerkolben und der Arbeitskolben. Diese Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. In einem geschlossenen Kreislauf wird das Arbeitsmedium von den beiden Kolben zwischen einer heißen Stelle (Erhitzer) und einer kalten Stelle (Kühler) hin- und hergeschoben. Beim Übergang von der kalten auf die heiße Seite wird das Gas erhitzt, es dehnt sich aus und der Druck im Arbeitsraum steigt. Der Arbeitskolben wird dadurch nach außen gedrückt. Der Verdränger schiebt dann das Gas auf die kalte Seite zurück und zieht sich zusammen. Dadurch sinkt der Druck im Arbeitsraum und der Arbeitskolben wird wieder nach innen gesogen. Während der Verdrängerkolben angetrieben wird, gibt der Arbeitskolben mechanische Energie ab.^[28] Die mechanische Energie wird durch zwei Elektrogeneratoren in elektrische Energie umgewandelt. Zwischen dem Erhitzerkopf und dem Kühler befindet sich der Regenerator, der dem Gas auf seinem Weg von der heißen zur kalten Seite Wärme entzieht und beim Rückströmen wieder zuführt. Die folgende Abbildung verdeutlicht das Prinzip des Stirling Motors:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Prinzip des Stirlingmotors^[29]

Die eigentliche Wärmequelle liegt in der Brennkammer, welche außerhalb des Zylinders angeordnet ist. Dadurch kann durch Auswahl geeigneter Verbrennungstechniken eine schadstoffärmere Verbrennung erreicht werden. Somit können bisher fast ungenutzte Verbrennungspotenziale erschlossen werden. Grundsätzlich ist jeder Brennstoff möglich (von Erdöl bis Biomasse). Da die Wärmezufuhr von außen erfolgt, können keine Rückstände aus der Verbrennung in den Motor gelangen, somit ist der Verschleiß sehr gering.

Stirling-Motoren haben elektrische Wirkungsgrade von höchstens 30%, oft liegen diese sogar wegen der geringen Temperaturunterschiede (Carnot-Wirkungsgrad) bei 10%. Dies ist ein entscheidender Nachteil gegenüber den Otto- oder Diesel-Motoren-BHKW.

Weltweit sind Stirling-Motoren in Kleinserien auf dem Markt, diese können auch mit nachwachsenden Rohstoffen (wie Holzpellets, Biogas, Pflanzenöl), aber auch mit solarer Einstrahlung betrieben werden. Sie können auch als Wärmepumpen oder Kältemaschinen eingesetzt werden. Der Leistungsbereich der in den letzten Jahren weiterentwickelten Motoren reicht von 1 kWel bis 40 kWel.^[30]

Im Anhang befindet sich eine Abbildung (Abb. A8) von einem Stirling-BHKW und im Folgenden wird der Einsatz eines Stirling-Motors in einem BHKW abgebildet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Aufbau einer KWK-Anlage mit Stirlingmotor^[31]

Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelle ist auch eine der Möglichkeiten zur dezentralen Strom- und Wärmeproduktion. Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die ähnlich wie eine Batterie, die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. Sie haben keinen Carnot-Wirkungsgrad, aber die elektrischen Wirkungsgrade bei stationären Einzelanlagen liegen bei höchstens 40%-50%. Klassische Schadstoffe wie beispielsweise CO und NOx werden nicht gebildet, ganz im Gegenteil entstehen im Vergleich zu KWK-Systemen deutlich geringere Emissionen.

Brennstoffzellen im Einzelnen bestehen grundsätzlich aus zwei porösen, gasdurchlässigen Elektroden und einem dazwischen liegenden ionenleitenden Elektrolyten. Die Elektroden werden mit Wasserstoff (bzw. wasserstoffreichem Gas) und mit Sauerstoff (bzw. Luft) umspült. Durch die Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht eine exotherme Knallgasreaktion und es wird Wärme frei. Dies geschieht durch die Elektronen, die durch den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode fließen, Gleichstrom erzeugen und Wärme freisetzen^[32] (siehe Abbildung 12). Die theoretische Leerlaufspannung bei Raumtemperatur beträgt 1.23 V. Um höhere Spannungen und Leistungsdichten zu realisieren, werden viele einzelne identisch aufgebaute Brennstoffzellen in Serie zum sog. Brennstoffzellenstapel (Stack) geschaltet. Brennstoffzellen setzen Wasserstoff und Sauerstoff um, sie müssen aber auch in der Lage sein, übliche Brennstoffe zu verarbeiten.^[33]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle^[34]

Brennstoffzellen werden häufig nach der Höhe der Prozesstemperatur eingeteilt:

Niedertemperatur-Brennstoffzellen (Arbeitstemperatur 80 – 220 °C)^[35]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die alkalische Brennstoffzelle arbeitet mit reinem Wasserstoff und hat einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Sie hat aber nur eine geringe Bedeutung für dezentrale Energieerzeugung. Die PEFC wird mit Erdgas oder Methanol betrieben. Diese Anlagen können bis zu 250 kWel für gewerbliche Anwendungen und Mini-Anlagen bis zu 5 kWel für Ein- bzw. Mehrfamilienhäuser Anwendung finden. Die PAFC ist die am weitesten entwickelte Brennstoffzelle für stationäre Anlagen. Der Leistungsbereich liegt zwischen wenigen kW und mehreren MW. Längere Stillstandszeiten können zur Schädigung führen, welche den größten Nachteil dieses Typs darstellt. DMFC sind gegenwärtig kommerziell nicht als KWK-Anlagen verfügbar. Kommerziell verfügbar und wirtschaftlich sind derzeit die MCFC. Sie haben hohe Arbeitstemperaturen und können damit viele Brenngase wie Erdgas oder Biogas intern reformieren. Sie stellen für den BHKW-Einsatz und größere Leistungen eine viel versprechende Technik dar. Einige Vorteile bietet die SOFC trotz der hohen Materialanforderungen, bei einer Prozesstemperatur von 1000°C. Der Einsatz ist in Brennstoffzellenheizgeräten (kleine Leistungen) als auch in BHKW bis zu 1 MW möglich. Auch Kombinationen mit Gasturbinen werden untersucht. Große Entwicklungspotenziale, auch hinsichtlich der finanziellen Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den konventionellen BHKW-Anlagen, werden die PEFC und die SOFC geschätzt.

Die Brennstoffzellen befinden sich derzeit noch im Pilotstadium. Der entscheidende Grund der Nichtdurchsetzung dieser Technologie liegt in den noch hohen Investitionskosten.^[37]

Beim Betrieb einer Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff entsteht neben Strom und Wärme lediglich reines Wasser. Dies bedeutet, dass die Brennstoffzelle eine emissionsfreie Strom- und Wärmeerzeugung bereitstellt. Allerdings sind die Fragen nach der Herstellung des Wasserstoffes nicht geklärt. Diskutiert werden die Elektrolyse von Wasser mittels Solarstrom sowie die Wasserstoffgewinnung aus Biomasse. Der Transport und ebenso die Verteilung des Wasserstoffes an die Verbraucher wäre problematisch, da für Wasserstoff eine komplett neue Infrastruktur aufgebaut werden müsste.^[38] Wie oben schon geschildert sind die Brennstoffzellen noch in der Entwicklung und in nächster Zukunft werden sie wahrscheinlich auch mit anderen Brennstoffen in BHKW zu betreiben sein.

Die Zukunftstechnologie Brennstoffzelle wird aber auch in zwei weiteren Hauptanwendungsfeldern vertreten. Schon während der CeBIT 2003 und der Hannover Messe 2003 wurden Brennstoffzellen für portable Stromversorgungen, wie etwa für Notebooks und Camcorder vorgestellt.^[39] Auch die Markteinführung der Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb wurde bedacht. Hier herrscht aber noch die größte Unsicherheit, welche mit Szenarien und Szenario-Studien begleitet wird.^[40]

Da diese Verfahrensprinzipien mit Unsicherheiten belastet sind, wird das effektivste und ressourcenschonendste Verfahrensmodell die Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotoren ausgewählt und im nachfolgenden Kapitel gesondert aufgeführt.

2.2 Grundlagen der BHKW-Technik

2.2.1 Begriffsdefinition

Anlagen, in denen gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt wird, werden, wie bereits erläutert, als KWK-Anlagen bezeichnet. Wenn die Strom- und Wärmeerzeugung gekoppelt, in einer kleineren, kompakten Anlage und nicht in einem großen Heizkraftwerk erfolgt, dann spricht man von einem Blockheizkraftwerk.

Der Hauptunterschied zum HKW besteht nicht nur in der Größe, sondern in der Anlagenkonfiguration. BHKW werden mit Motoren betrieben und haben dadurch den Vorteil der dezentralen und gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme.

Die Verbrennungskraftmaschine (meistens der Motor) treibt einen Generator an. Es wird Elektrizität erzeugt, wobei die Abwärme, welche im Motorblock anfällt, ebenfalls nutzbar gemacht wird. Sie wird über einen Wärmeaustauscher zur Heizwassererwärmung verwendet. Auch die im Abgas enthaltene Wärme wird durch Wärmeaustauscher zur Brauchwassererwärmung genutzt; ggf. kann die Wärme auch zur Dampferzeugung/Prozesswärme genutzt werden.^[41] Bei der Dampferzeugung kann nur die Abgaswärme genutzt werden, wobei die Motorwärme anderweitig untergebracht werden muss. Hierfür müsste die Anlage technologisch verändert werden.

Die Abbildung 13 zeigt das Schema eines BHKW und verdeutlicht die offenen Wasser- und Abgaskreisläufe. Das umlaufende Heizwasser wird zunächst im Kühlwasserwärmeübertrager auf etwa 80°C vorgewärmt und anschließend im Abgaswärmeübertrager auf höhere Temperaturen, maximal etwa 110°C nachgewärmt. Das so erwärmte Wasser wird in der Regel für Heizzwecke verwendet, kann aber wie erwähnt auch für andere Zwecke wie Trocknung, Dampferzeugung, Lufterwärmung oder Antrieb von Absorptionskältemaschinen eingesetzt werden.^[42]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Anlagenschema eines BHKW^[43]

Die ökologische aber auch die ökonomische Idee der BHKW, ist die Erzeugung mit anschließendem Verbrauch von Strom und Wärme direkt vor Ort. Somit entfallen die Transportverluste, die insbesondere bei dem Wärmetransport auftreten. Daher gelten BHKW als fortschrittlich und umweltfreundlich.

Es gibt sogar die sog. Mini-BHKW, die es ermöglichen die Vorteile der KWK auch für kleinere und einzelne Objekte, wie Wohngebäude zu nutzten. Ein ausreichender Wärmebedarf muss natürlich vorhanden sein, damit diese ihre Anwendung finden können. Die Mini-BHKW sind sehr kompakt und üblicherweise bekannt als „Heizungen, die kostenlos Strom erzeugen“.

2.2.2 Anlagenkomponenten

Abgrenzung der BHKW-Komponenten in Anlehnung an DIN 6280-14 . Nach der DIN 6280-14, Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren insbesondere im Teil 14 für Blockheizkraftwerke mit Grundlagen, Anforderungen, Komponenten, Ausführung und Wartung werden die motorbetriebenen BHKW-Komponenten unterschieden. Es wird zwischen dem BHKW-Aggregat, dem BHKW-Modul und der gesamten Anlage abgegrenzt.^[44]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Definition und Abgrenzung der BHKW-Komponenten^[45]

Im Wesentlichen besteht ein BHKW aus einem oder mehreren BHKW-Modulen, mit den notwendigen Hilfseinrichtungen, den Schalt- und Steuerungseinrichtungen, der Schallschutzdämmung, der Abgasführung sowie dem Aufstellraum^[46] (siehe Abbildung 14).

Der Hauptbestandteil eines BHKW-Moduls besteht aus dem BHKW-Aggregat. Dieses setzt sich zusammen aus dem Verbrennungsmotor, dem Generator, den entsprechenden Kraftübertragungs- und Lagerungselementen; wahlweise kann auch separat vom Motor ein Verbrennungsluftfilter im Aggregat enthalten sein. Die Hauptkomponenten des BHKW-Moduls bestehen wiederum aus dem Aggregat des Blockheizkraftwerkes, den Wärmetauschern, Abgas- und Kühlwasser, dem Abgasschalldämpfer und -reinigungsanlage, der Brennstoffzufuhrversorgung (beim Pflanzenöl-BHKW Kraftstoffbehälter) sowie der Stromversorgung. Zu einer kompletten BHKW-Anlage gehören zusätzlich die Aggregatüberwachung, die Schaltanlage mit Leittechnik und die Zu- und Abluftanlage.^[47]

Die Blockheizkraftwerke werden als anschlussfertige, weitgehend standardisierte Kompaktanlagen geliefert. Sie erfüllen alle gängigen DIN- und DVGW-Bestimmungen und die Vorschriften der Stromversorger. Die Abgasabführung ins Freie gehört noch zur BHKW-Anlage, aber jedoch nicht der Schornstein bzw. Kamin.

Im Folgenden werden die Komponenten eines Blockheizkraftwerkes näher beschrieben. Die Abbildung 15 zeigt ein Foto eines BHKW mit der Benennung der zugehörigen Teile.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: BHKW mit Bauteilbezeichnung^[48]

Motor. Die Antriebsmotoren der BHKW sind entweder umgebaute oder für den Dauerbetrieb modifizierte Serienarten aus der PKW-, LKW- oder Schiffsmotoren-produktion.

Der Verbrennungsmotor besteht im Wesentlichen aus dem Motorblock, dem Kurbelbetrieb mit der Kurbelwelle, den Pleuelstangen, dem Kolben und den Zylinderköpfen mit den Ventilen.^[49] Sie sind gewöhnlich Langsamläufer mit Drehzahlen von 1.500 Umdrehungen/Minute. Große BHKW über 3 MWel haben weitaus geringere Drehzahlen.

Bei den Brennverfahren für stationäre Verbrennungsmotoren kann grundsätzlich zwischen Diesel- und Gasmotoren unterschieden werden. Die Dieselmotoren können weiter in direkteinspritzende Maschinen und in Kammermaschinen unterteilt werden. Für stationäre Energieanlagen werden vorwiegend Dieselmotoren mit direkter Einspritzungn verwendet, d.h. der Brennstoff wird bei Nutzfahrzeugdieselmotoren direkt in den Brennraum in die durch den Kolben hochverdichtete Luft eingespritzt. Durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft zündet ein Teil des Brennstoffes an verschiedenen Orten nahezu gleichzeitig von selbst. Die so entstehenden Flammen erfassen den ganzen Brennraum. Noch während der Verbrennung wird weiterer Brennstoff eingespritzt, wodurch sich der Verbrennungsablauf in gewissem Maße steuern lässt. Es wird eine Verbrennung bei konstantem Druck angestrebt, um die mechanische Belastung des Kurbelbetriebs nicht unzulässig hoch zu treiben.

Gasmotoren arbeiten entweder nach dem Ottoverfahren oder nach dem Zündstrahlverfahren. Bei beiden Verfahren wird ein Gemisch aus der Luft und Brenngas angesaugt und verdichtet. Die Zündung erfolgt beim Ottoverfahren durch den Funkenüberschlag zwischen den Elektroden einer Zündkerze, d.h. durch eine ortsfeste, räumlich begrenzte Zündquelle. Beim Gas-Zündstrahlverfahren wird die Verbrennung des Brenngas/Luft-Gemisches durch eine geringe Menge Dieselkraftstoff -Zündöl genannt- eingeleitet. Der Zündölanteil an der insgesamt zugeführten Brennstoffenergie beträgt etwa 5%.^[50]

Der noch gängigste BHKW-Brennstoff ist Erdgas, daher sind überwiegend Gasottomotoren am weitesten verbreitet. Dieselmotoren haben beim Betrieb unter Nennlast durchschnittlich höhere mechanische und auch elektrische Wirkungsgrade als Gasottomotoren (siehe im Anhang elektrische Wirkungsgrade Abb. A9). Die Brennstoffausnutzung verschiebt sich daher zugunsten der Stromausbeute beim Diesel-BHKW. Der elektrische Wirkungsgrad von Biogasmotoren ist entsprechend der Erdgasmotoren.^[51]

Die elektrischen Wirkungsgrade des Dieselgasmotors können ähnlich hoch sein wie die des Dieselmotors. Für seinen Betrieb werden aber laufend zwei Kraftstoffe, Gas als Wärmeträger und eine kleine Menge Zündöl (Diesel/Heizöl) benötigt, welches das hoch verdichtete Gas-Luft-Gemisch entzündet. Der Zündölanteil beträgt 5-10% der bei Nennleistung benötigten Brennstoffmenge und kann nach Wunsch bis auf 100% Dieselanteil umgeschaltet werden. Diese Motoren eignen sich für spezielle Anwendungen (z.B. Biogasanlagen). Sie spielen meistens aber eine untergeordnete Rolle. Bei den sog. Mini-BHKW sind Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren, die nach dem Gas-Ottomotorenprinzip oder nach dem Dieselprinzip arbeiten, gängig. Auch hier werden sowohl speziell entwickelte Motoren als auch modifizierte Fahrzeug- und Industriemotoren eingesetzt. Deren Kühlsystem, Zündung, Abgasanlage und einiges mehr wird natürlich auf den BHKW-Betrieb angepasst.^[52]

Der Vorteil der motorischen BHKW gegenüber anderen Energieumwandlungsanlagen ist der außerordentlich hohe Brennstoffausnutzungsgrad.

Generator und elektrische Einbindung. Die mechanische Energie des Motors wird durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt. BHKW, die eine Leistung bis 1 MWel haben, werden niederspannungsseitig an das 400-V-Netz angeschlossen. Als Stromerzeuger gibt es für den BHKW-Betrieb zwei verschiedene Bauarten, den Asynchrongenerator und den Synchrongenerator. Die Auswahl ist vom Anwendungszweck, den lokalen Netzverhältnissen und von den Anforderungen des Netzbetreibers abhängig.

Wenn das BHKW netzparallel betrieben wird, d.h. ständig mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt ist, wird ein Asynchrongenerator eingesetzt. Die sind robust, preiswert und benötigen keine Regeleinrichtung. Bei diesen Generatoren ist ein taktgebendes Drehstromnetz für die Frequenzhaltung und Blindstromlieferung erforderlich. D.h. das Netz gibt die Spannung und die Frequenz vor und liefert den zur Erregung notwendigen Magnetisierungsstrom (Blindstrom).^[53] Die EVU fordern daher in der Regel eine Blindstrom-Kompensation bei Anlagen mit etwa 15 kWel. Wenn sie im Stillstand ans Netz geschaltet werden, funktionieren sie als Elektromotor und können quasi als Anlasser das BHKW zum Sanftanlauf mit Anlaufstrombegrenzung starten. Dieser Startvorgang wird als Generatorstart bezeichnet.

Synchrongeneratoren dahingegen sind technisch in der Lage ein eigenes Netz aufzubauen und in Inselbetrieb zu versorgen. Hierbei werden Spannung und Frequenz durch Regler konstant gehalten. Synchrongeneratoren können und werden meistens auch im Netzparallelbetrieb eingesetzt, doch dafür benötigen sie eine Synchronisierungseinrichtung. Je nach Anforderung können sie auch Blindstrom liefern.^[54] Sie sind daher unabdingbar für Insel- und Netzersatzbetrieb. Das BHKW startet beim Insel- und Netzersatzbetrieb durch ein Netzstartgerät bzw. Batterieanlasser. Es gibt zwei Ausführungen der Generatoren, die luft- und die wassergekühlte Ausführung. Die häufiger anzutreffende Variante ist die wassergekühlte Bauart, denn sie senkt auch den Kühlluftbedarf des Moduls.

Wie andere elektrische Maschinen werden die Generatoren durch übliche Schalteinrichtungen gegen Überlast und Kurzschluss geschützt. Die elektrische Netzanbindung kann bis zu einer installierten Leistung von maximal 1000 kWel an das Niederspannungsnetz erfolgen. Für den Netzparallelbetrieb sind insbesondere die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der jeweiligen Stromversorgungs-unternehmen sowie die VDEW-Richtlinie „Parallelbetrieb mit dem Niederspannungs-netz“ zu beachten.^[55] Bei den Kompaktgeräten, die anschlussfertig ausgelegt werden, so dass der Anwender nichts weiter beachten muss, sind diese Vorschriften in der Regel alle erfüllt.

Wärmeauskopplung und thermische Einbindung. Ein Wärmetauscher überträgt die Wärmeenergie eines heißen Fluids über eine wärmeleitende Fläche auf ein kälteres Fluid. Die zu übertragende Wärmemenge soll natürlich möglichst groß sein, wobei die Übertragung auf kleinster Fläche mit minimalem Druckverlust der Medien stattfinden soll. Neben den Regeneratoren, den diskontinuierlich durchflossenen Wärmeübertragern, kommen bei den BHKW überwiegend kontinuierlich durchflossene Wärmeübertrager, die sog. Rekupatoren zum Einsatz. Sie unterscheiden sich je nach ihrer Arbeitsweise in Gegenstrom-, Gleichstrom- oder Kreuzstromwärmeübertrager. Je nach Anforderung können unterschiedliche Bauarten zum Einsatz kommen, wie z.B. Rohrbündel-, Platten-, Taschen- oder Spiralrohrwärmetauscher.^[56] (für Abbildungen siehe Anhang Abb. A10 bis Abb. A13)

Die im Motor entstehende Abwärme wird an das Kühlwasser, Schmieröl und Abgas übertragen und mittels der Wärmetauscher an das Heizwasser abgegeben. Die Wärmeabstrahlung des Motors sowie die Generatorabwärme bilden weitere nutzbare Wärmequellen. Die Schmieröl- und Kühlwassertemperaturen liegen bei etwa 80-90°C und die Abgastemperaturen in einem Bereich von 400°C-600°C.

Die Auslegung der Wärmetauscher orientiert sich an den üblichen Temperaturverhältnissen der Heizungsanlagen, ca. 90°C im Vorlauf und ca. 70°C im Rücklauf. Das Heizwasser wird vorerst im Kühlwasserwärmetauscher vorgewärmt, auf etwa 80°C und danach im nachgeschalteten Abgaswärmetauscher auf etwa 90°C Vorlauftemperatur angehoben. Um eine ausreichende Kühlung des Kolbenmotors sicherzustellen, darf die Rücklauftemperatur des Heizwassers bei den meisten Motoren 70°C nicht überschreiten.^[57]

Betriebsbedingte Ablagerungen an den Wärmeübertragern, wie z.B. Ruß im Abgaswärmeübertrager oder Kalk im Kühlwasserwärmetauscher, erfordern gelegentlich Reinigungen der Wärmeaustauschflächen. Abgaswärmetauscher können so ausgelegt sein, dass ein regelmäßiges Abkehren der Wärmetauschflächen mit einer Rußbürste z.B. alle 1000 Bh erforderlich ist. Es gibt aber auch Bauarten, die selbstreinigend sind, z.B. Kugelregen- bzw. Kettenzugsysteme oder Dampfeinblasen. Geschlossene und halboffene Kühlwasserkreisläufe mit Wasserwärmetauschern enthalten oft eine Vielzahl von metallischen Werkstoffen. Die gleichzeitige Anwesenheit von Kupfer, Stahl, Kupferlegierungen und Aluminium begünstigt die Korrosion; deshalb ist der Einsatz von Inhibitoren erforderlich. Diese schützen die eingesetzten Werkstoffe vor Korrosion.^[58]

Der Prozess der Wärmeauskopplung kann neben den Heizzwecken auch andere Aufgaben wie Trocknung, Lufterwärmung und Antrieb von Absorptionskälteanlagen erfüllen. Durch die Abgaswärme lässt sich Dampf oder Heißwasser über 90°C für Prozesszwecke erzeugen, wobei dann für das niedertemperierte Kühlwasser ein getrennter Kreislauf erforderlich wird.

Um einen Hitzestau nach Abstellen des Motors am BHKW-Aggregat zu vermeiden, ist ein Pumpennachlauf erforderlich, um überschüssige Wärme abzuführen.^[59]

Abgasableitung. Grundsätzlich müssen die Abgasableitungen die zuverlässige Ableitung der Abgase ins Freie sicherstellen. Abgasanlagen können als Überdrucksystem oder als Unterdrucksystem ausgeführt werden. Der maximal zulässige Abgasgegendruck gemäß des BHKW-Herstellers für den Druckverlust der Abgasleitungen ist zu beachten. Die Leitungen müssen gasdicht, schallentkoppelt und wärmeisoliert verlegt werden. Die Leitungen sollten möglichst auf dem kürzesten und geradesten Weg nach außen führen.^[60]

Beim Überdrucksystem werden durchgehende Rohrleitungen („Auspuffrohr“) vom BHKW nach außen geführt. Diese Art von Abgasableitung kann innerhalb von Gebäuden in hinterlüftete Kanäle und Schächte verlaufen und außerhalb von Gebäuden kann die Leitung an der Außenfassade entlang bis über das Dach verlegt werden. Bei dem Unterdrucksystem werden die Abgase in einen nicht belegten, also freien Schornsteinzug ohne zusätzliches Abgasrohr eingeleitet. Hierdurch lassen sich Montageaufwand und Kosten deutlich senken.^[61] Die Funktionsfähigkeit des Unterdrucksystems muss durch eine Berechnung nach DIN 4705 nachgewiesen werden.

Abgasleitungen sind möglichst isoliert und zur Vermeidung von Kondensatbildung entsprechend den Vorgaben der TA Luft vorzusehen. Sofern Abgasrohre zur Abgasleitung verwendet werden, sollten diese aus Edelstahl sein, um Korrosionen zu verhindern. Eine Kondensatstelle mit Ablassschraube zur Entfernung von Kondensat und eingedrungenem Regenwasser ist an der tiefsten Stelle des Abgasstrangs vorzusehen.

Brennwertnutzung . Die Brennwertnutzung beim BHKW-Betrieb ist noch nicht die Regel. Bei dieser Technik wird zusätzlich der bei der Verbrennung der Brennstoffe entstehenden Abgase enthaltener Wasserdampf^[62] durch einen zusätzlichen Wärmetauscher genutzt. Normalerweise wird die Kondensation des Wasserdampfes vermieden, um Korrosion und Feuchte nicht entstehen zu lassen. Je nach Anteil des Wasserstoffgehalts des jeweiligen Energieträgers, der sich mit dem Luftsauerstoff verbindet, bildet sich bei der Verbrennung mehr oder weniger Wasserdampf. Im Wasserdampf ist jedoch Verdampfungswärme („latente Wärme“) gebunden, sie kann auch als Heizwärme genutzt werden. Dazu wird der Wasserdampf auf 25°C-60°C abgekühlt und kondensiert, dadurch wird die latente Wärme freigesetzt.

Je niedriger die Rücklauftemperatur ist, desto bessere Brennwertnutzung kann erzielt werden.^[63] Der Rücklaufstrom des Heizkreises durchströmt den zusätzlichen Wärmetauscher (Brennwertnutzung).

Eine komplette Brennwertnutzung liegt nach DIN 5499 dann vor, wenn die Abgastemperatur nach der Brennwertnutzung unterhalb von 25°C liegt. In der Praxis handelt es sich aber meistens um eine Teil-Brennwertnutzung. Die Abgastemperatur liegt dann zwischen 25°C und dem Taupunkt. Die Taupunkttemperatur^[64] ist für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wichtig. Sie beträgt für Erdgas etwa 56°C und für Heizöl etwa 47°C. Je höher der Taupunkt des Abgases liegt, desto eher tritt die Kondensation ein.^[65]

Die Bezeichnung Brennwertnutzung beruht auf der Unterscheidung von Heizwert und Brennwert eines Brennstoffes. Im Anhang ist eine Abbildung A14 zu Verdeutlichung der Abgrenzung der beiden Begrifflichkeiten.

Der Heizwert (Hu = unterer Heizwert) bezeichnet die auf die Brennstoffmenge bezogene Wärmemenge, die bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn das Abgas auf Bezugstemperatur (25 °C) zurückgekühlt wird. Das Wasser im Abgas liegt jedoch dampfförmig vor. Der Heizwert ist also die sensible (fühlbare) Wärme, die frei wird. Die Angaben zum Energieverbrauch beziehen sich in der Energiewirtschaft in der Regel auf den Heizwert. Die Abrechnung von Erdgas stellt eine Ausnahme dar, sie erfolgt zumeist bezogen auf den Brennwert.^[66]

Der Brennwert (Ho = oberer Heizwert) dahingegen bezeichnet die auf die Brennstoffmenge bezogene Wärmemenge, die bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn das Abgas und der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf auf die Bezugstemperatur (25 °C) zurück gekühlt werden. Der kondensierte Wasserdampf gibt damit noch zusätzlich Wärme ab. Der Brennwert enthält also sowohl die sensible (fühlbare) Wärme, als auch die latente (versteckte) Wärme des Wasserdampfs.^[67]

Spitzenlastkessel. Ein Spitzenkessel kommt zur Anwendung, wenn der benötigte Wärmebedarf, durch das BHWK allein nicht mehr gedeckt werden kann. Die erforderliche Leistung des Spitzenkessels ergibt sich aus der Differenz zwischen der maximalen Wärmelast nach DIN 4701 und der thermischen Leistung des BHKW. In der Praxis kann die Leistung jedoch größer gewählt werden, damit dieser bei einem Ausfall des BHKW die Wärmeversorgung sicherstellen kann. Hierbei sind die Kosten bei einer größeren Auswahl zu berücksichtigen.

Bei dem Betrieb des Spitzenlastkessels ist darauf zu achten, dass der Wasserkreislauf des BHKW durch entsprechende Ventile geschützt ist, um bei Stillstand des Aggregats einen Wasserdurchfluss zu verhindern. Ansonsten könnte die im Kesselheizwasser befindliche Wärmemenge einen erheblichen Teil über den Wärmeübertrager an das BHKW abgeben und somit verloren gehen. Dies würde außerdem zu einer unnötigen thermischen Belastung des Aggregats führen.^[68]

Der zusätzlich installierte Spitzenlastkessel wird erst dann zugeschaltet, wenn die eingetauschte Motorabwärme nicht mehr die nötige Vorlauftemperatur im Heizkreislauf liefert. Um tageszeitliche Schwankungen zwischen Strom- und Wärmebedarfspitzen auszugleichen, kann ein Wärmespeicher eingesetzt werden,^[69] welches in den meisten Fällen sinnvoller ist.

Der Wärmespeicher (Pufferspeicher) dient als ein „Wärmepuffer“ zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung und der Nutzung der Wärme. Er wird in das Heizungsnetz eingebunden und mit Heizungswasser durchströmt. Schichtspeicher werden meist als Pufferspeicher eingesetzt, die können die Wärme in ihren unterschiedlichen Schichten über einige Stunden speichern. So dass die gespeicherte Wärme schichtweise entnommen werden kann, dadurch wird verhindert, dass die Temperatur des Wassers bei jedem Speichervorgang nicht durchmischt wird.

Erst wenn durch das BHKW die eingestellte Temperatur des Speichers nicht mehr gedeckt werden kann, schaltet sich der Spitzenkessel zu. Der Wärmebedarf und die nutzbare Temperaturdifferenz bestimmen die Auslegung des Wärmespeichers.

Die Temperaturdifferenz wird vor allem durch die Rücklauftemperatur begrenzt. Sie liegt je nach Anlage bei maximal etwa 60°C bis 70°C, damit eine ausreichende Motorkühlung gewährleistet werden kann.^[70]

Ist kein Pufferspeicher im Heizungssystem vorhanden, gewinnt der Brauchwasser-speicher an Bedeutung. Der Brauchwasserspeicher stellt eine Reserve für warmes Trinkwasser dar und ist in das Warmwassersystem eingebunden. Durch den Einsatz eines Wasserspeichers, muss das BHKW nicht bei jeder kurzzeitigen Warmwasseranforderung für einige Minuten laufen. An kurzzeitigen Wärmespitzen sollte das Hinzuschalten des Spitzenkessels vermieden werden, indem Wärmespeicher eingesetzt werden. Wenn ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher vorhanden ist, kann der Warmwasserbedarf direkt darüber gedeckt werden.^[71]

2.2.3 Brennstoffe

In BHKW können verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden. Sowohl fossile als auch erneuerbare Kraftstoffe können hier ihre Anwendung finden; von Erdgas, Heizöl bis Biodiesel, reine Pflanzenöle wie Raps oder Biogas.

Bis heute werden überwiegend gasförmige Brennstoffe in BHKW-Anlagen eingesetzt. Aufgrund des gut ausgebauten Verteilungsnetzes ist Erdgas der am häufigsten anzutreffende Brennstoff. Ist kein Erdgasanschluss vorhanden, kann auf Lagerbrennstoffe wie Heizöl oder die teuren Flüssiggase (Propan und Butan) zurückgegriffen werden. Mit modifizierten Motoren können auch erneuerbare Kraftstoffe wie reine Pflanzenöle, in Deutschland am meisten anzutreffendes Rapsöl, ihre Anwendung in BHKW finden; sowie auch Biodiesel (RME), umgeestertes Rapsöl.^[72]

Aber auch Deponiegas, Klärgas, Biogas und andere Schwach- oder Sondergase, wie z.B. Schwefelgase, können als Brenngas verwendet werden. Diese Brenngase fallen lediglich innerhalb bestimmter Prozesse an und sind für gewöhnlich nicht in der unmittelbaren Nachbarschaft von Siedlungsflächen zu finden. Daher spielen diese Brenngase eher eine untergeordnete Rolle für die BHKW-Betreiber. Doch an ihrem Entstehungsort der Deponie, Kläranlage oder im landwirtschaftlichen Betrieb, werden diese Brenngase genutzt.^[73]

Häufig enthalten die Deponie-, Klär- und Biogase Begleitstoffe, die den Motor schädigen oder zur erhöhten Schadstoffemission im Abgas führen können.

Bei der Auswahl des Brennstoffes ist unbedingt der Aspekt zu berücksichtigen, dass der eingespeiste Strom eines ausschließlich mit regenerativen Kraftstoffen angetriebenes BHKW nach dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) als Strom aus Biomasse vergütet wird.

Im Nachfolgenden wird ausschließlich der Brennstoff Rapsöl untersucht, die unterschiedlichen Brennstoffe werden, wenn nötig nur zum Vergleich herangezogen.

2.2.4 Betriebsarten

Für eine möglichst hohe Lebensdauer ist es wichtig, BHKW kontinuierlich zu betreiben. Die Zahl der Startvorgänge sollte versucht werden so gering wie möglich zu halten, um eine möglichst hohe Laufzeit zu erreichen. Ein BHKW kann entweder wärmegeführt, stromgeführt oder in einer Kombination von beiden betrieben werden. Bei einem wärmegeführten BHKW wird der benötigte Wärmebedarf des Verbrauchers ermittelt und auf diesen ausgerichtet. Der produzierte elektrische Strom wird ganz oder teilweise, abzüglich des Eigenverbrauchs, ins öffentliche Netz eingespeist.^[74]

Beim stromgeführten BHKW steht die Nutzung des elektrischen Stromes im Vordergrund. Ein möglichst großer Teil der ebenfalls anfallenden Wärme sollte genutzt werden. Gegebenenfalls können mit entsprechenden Wärmespeichern zeitliche Verschiebungen von Strom- und Wärmebedarf zumindest teilweise ausgeglichen werden.^[75]

Bei der kombinierten Fahrweise des BHKW wird in einer Kombination von beiden Fahrweise gefahren.

Die Auswahl der Betriebsart erfolgt je nach Verbrauchscharakteristik, den Abnahmebedingungen von Strom oder Wärme und natürlich je nach den wirtschaftlichen Gesichtspunkten.^[76]

2.3 Pflanzenöl-BHKW

Ein Pflanzenöl-BHKW hat dieselben Baubestandteile wie ein normales BHKW, wie es weiter oben bereits ausgeführt wurde. Der einzige Unterschied besteht in dem Motor. Da die Verwendung von reinem Pflanzenöl nicht für herkömmliche Motoren geeignet ist, muss der Motor angepasst bzw. umgerüstet oder ein spezieller Pflanzenölmotor benutzt werden. Der Hauptgrund hierfür ist, dass während der „kritischen“ Warmlaufphase die Zersträubung des Pflanzenöls; nämlich aufgrund der hohen Viskosität und der niedrigen Betriebstemperatur des Motors gering und die Verbrennung dadurch unvollständig ist. Es kommt zu Verkorkungen und Ablagerungen von Verbrennungsrückständen an Ventilen und Kolbenringen.

Die Abbildung 16 zeigt eine schematische Darstellung eines Pflanzenöl-BHKW. Im Folgenden werden die, zu den normalen BHKW unterscheidenden, pflanzenöl-tauglichen Motoren beschrieben. Auf die weiteren Bestandteile eines Pflanzenöl-BHKW wird nicht weiter eingegangen, da die Erläuterungen im Kapitel 2.2 auch auf Pflanzenöl-BHKW zu übertragen sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: Funktionsschema eines Pflanzenöl-BHKW^[77]

2.3.1 Pflanzenöltaugliche Motoren

Wie bei den konventionellen Dieselmotoren werden auch bei den pflanzenöltauglichen Motoren zwischen direkteinspritzende Verfahren (DI), bei denen der Brennraum aus einer Mulde im Kolben und Zylinderkopf gebildet wird, und indirekteinspritzende Verfahren (IDI) mit einer Vor- oder Wirbelkammer, bei denen der Kraftstoff in eine Nebenkammer, die sich im Zylinderkopf befindet, eingespritzt wird und erst anschließend in den Hauptbrennraum gelangt, unterschieden. Insbesondere lassen sich die direkteinspritzenden Motoren nochmals zwischen speziell für Pflanzenöl entwickelte oder weiterentwickelte und umgerüstete Serienmotoren unterscheiden.^[78]

Bei dem IDI-Verfahren (Vor- oder Wirbelkammer) erfolgt die Verbrennung in zwei Stufen. Erst wird der Kraftstoff in der Nebenkammer teiloxidiert. Der dabei entstehende Druck fördert den Kammerinhalt in die Hauptkammer und das Gemisch wird durch die Luft, die sich darin befindet, stark verwirbelt. Die Verbrennung setzt sich natürlich fort (siehe im Anhang Abb. A15 und Abb. A16).

Der Unterschied von Wirbelkammermotoren zu Vorkammermotoren besteht in dem Verbindungskanal. Sie ist bei dem Wirbelkammer-Verfahren so konstruiert, dass die bei der Kompression einströmende Luft Wirbel bildet. Vorkammermotoren dahingegen sind zum Hauptbrennraum hin mit einem löchrigen Boden versehen, wodurch eine sehr gute Vermischung mit der Luft im Hauptbrennraum erreicht werden kann. In der Mitte der Vorkammer befindet sich eine Prallfläche, die den auftreffenden Strahl zerteilt und mit Luft vermischt. Durch die veränderte Vorkammerform mit Verdampfungsmulde und der speziell gestalteten Prallfläche („Kugelstift“) wird die einströmende Luft in einen Drall versetzt, welches zu einer verbesserten Kraftstoffverteilung führt. Dies ist in der Warmlaufphase des Motors wichtig. In der Nebenkammer sind Glühkerzen angebracht, um das Kaltstartverhalten zu verbessern. Im Allgemeinen liegen die Vorteile von Vorkammermotoren in einer höheren spezifischen Leistung durch eine bessere Luftausnutzung bei Vollast mit geringeren Reibungsverlusten. Außerdem führt die gestufte Verbrennung dazu, dass Geräusch- und Geruchsstoffemissionen sowie der Ausstoß von Stickstoffoxiden vermindert werden.^[79]

Die IDI-Motoren sind aufgrund ihres großvolumigen Brennraumes, der starken Verwirbelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches und der längeren Verweilzeit in der Brennkammer meist besser für den Pflanzenölbetrieb als die DI-Motoren.

Zu den pflanzenöltauglichen Dieselmotoren mit Vor- oder Wirbelkammerverfahren gehört der luftgekühlte Wirbelkammermotor der Firma Deutz. Er arbeitet nach dem Dual-Brennstoffsystem und erfordert deshalb einen zusätzlichen Tank. Der Start erfolgt mit Diesel und sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, wird auf Pflanzenöl umgeschaltet. Vor dem Abstellen des Motors wird dann wieder auf Diesel umgestellt, damit die Einspritzleitungen und Düsen gespült werden und für den neuen Startvorgang bereits mit Diesel befüllt sind.^[80]

Es werden auch Stationärmotoren für Blockheizkraftwerke nach dem Dual-Brennstoffsystem angeboten. Aber auch ähnliche Systeme sind vorhanden. Z.B. werden einige Systeme mit zusätzlicher Kraftstoffvorheizung angeboten, welche meist zur Umrüstung konventioneller Dieselmotoren vor allem für PKW genutzt werden.

Speziell für Pflanzenöl entwickelte oder weiterentwickelte Motoren, die nach dem DI-Verfahren arbeiten, sind häufig durch besondere Materialauswahl von Kolben und Zylinder sowie der Verwendung von Einlochdüsen gekennzeichnet. Die DI-Motoren haben aufgrund von Brennmulden im Kolben oder Zylinderkopf eine verbesserte Brennstoff/Luft-Verteilung und dadurch wiederum einen größer gestalteten Brennraum. Im Anhang ist eine Abbildung (Abb. A17) zum Verbrennungsverfahren der Direkteinspritzung.^[81]

Der wohl bekannteste Motor mit Direkteinspritzung ist der Elsbett-Motor. Dieser arbeitet nach dem Duotherm-Verfahren (siehe Anhang Abb. A18). Der Kraftstoff wird mit einer (bei größeren Motoren mit zwei) Einloch-Zapfdüse tangential in die Brennmulde eingespritzt. Durch den entstehenden Gemischwirbel wird im Inneren des Brennraumes eine zentrale heiße Brennzone gebildet und im äußeren Bereich wird durch die kältere schwere Luft eine Wärmeübertragung an die Kolbenwand vermindert.

Der Motor der Firma MWS Löschenkohl & Mitter Motorenwerk Schönebeck GmbH (früher AMS Antriebs- und Maschinentechnik, Schönebeck) stellt eine Weiterentwicklung des Duotherm-Verfahrens von Elsbett dar. Das Hauptanwendungs-gebiet dieses Motors sind stationäre Anwendungen, wie z.B. Blockheizkraftwerke.^[82]

Es gibt mehrere ähnliche Motorentechniken, die sich vereinzelt in der Bauform oder Ausrüstung unterscheiden.

Es gibt neben den speziell für Pflanzenöl konstruierten Motoren auch immer mehr Umrüstungen von serienfertigen Vorkammermotoren oder Motoren mit Direkteinspritzung. Unter der Umrüstung des Motors wird die Anpassung des Motors an den Treibstoff verstanden. Bei der Nutzung eines reinen Pflanzenöls müssen an der Kraftstoffversorgung technische Veränderungen vorgenommen werden. Die angebotenen Umrüstungen sind sehr vielfältig. Je nach Motorentyp sowie Konzept der Umrüstung und Qualität der Ausführung kann die Umrüstung mehr oder weniger aufwendig sein. Eine Untersuchung, die die Umrüstungskonzepte vergleicht und bewertet liegt leider nicht vor.

Die wichtigsten Punkte bei der Umrüstung sind, dass die am Motor vorhandenen kraftstoffführenden Komponenten wie Einspritzpumpe, Dichtungen, Leitungen, beständig gegenüber dem Langzeitansatz von Pflanzenöl bzw. dem Wechselbetrieb mit Dieselkraftstoff und Pflanzenöl sind. Ferner ist darauf zu achten, dass technisch ausgereifte Bauteile, wegen der allgemein stärkeren Beanspruchung der Materialien (hohe Viskosität)^[83] in guter Qualität ausgewählt werden.

2.3.2 Abgasemissionen

Wie bei jedem Verbrennungsvorgang entstehen auch bei der Verbrennung von Pflanzenölen Abgase. Schließlich sind diese schädlichen Auswirkungen von Abgasemissionen auch zu berücksichtigen.

Dieselmotoren mit Pflanzenöl

Im Rahmen einer Literaturstudie wurden zunächst herkömmliche Dieselmotoren mit Pflanzenöl-Betrieb untersucht. Hierbei wurden 20 Untersuchungen aus den Jahren 1987-1997 ausgewertet und die Emissionen von Diesel- und Pflanzenölmotoren verglichen.^[84]

Es ergab bei den Abgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Partikelmasse und Benzol im Mittel eine Erhöhung von 50% und bei den Aldehyden sogar eine Erhöhung von 120%. Dieses Ergebnis ist in erster Linie auf die nicht für Pflanzenöl geeigneten bzw. optimierten Motoren und die dadurch schlechtere Verbrennung zurückzuführen. Die Stickstoffoxide (NOx) und die polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffe erwiesen sich im Emissionsbild im Mittel aller Angaben als etwa gleich. Eine deutliche Minderung im Pflanzenöl-Betrieb ist aber bei den Schwefeloxidemissionen (SOx) festgestellt worden.^[85]

Pflanzenölmotoren in BHKW

Pflanzenöle sind nahezu schwefelfrei, daher ist deren Schwefeldioxidausstoß beinahe null. Ebenso sind die krebserregenden Anteile der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) deutlich niedriger als bei der Verwendung von Dieselkraftstoff.^[86]

Das Emissionsverhalten von pflanzenölbetriebenen BHKW wurde von der Bayerischen Landesanstalt für Landtechnik im Auftrag des Bayerischen Landesamtes für Umweltschutz an einem Forschungsprojekt, das Betriebs- und Emissionsverhalten von ausgewählten, ausschließlich mit Pflanzenöl betriebenen BHKW über einen längeren Zeitraum, untersucht.^[87] Hierbei wurden drei rapsölbetriebene BHKW mit unterschiedlichen Leistungsklassen (8 KWel, 60 KWel, 110 KWel) erforscht. Ein Vergleich mit Dieselkraftsoff- oder Heizöl wird darin aber nicht bestrebt, da es sich bei den BHKW-Motoren um Motoren handelt, die ausschließlich mit Pflanzenölkraftstoff betrieben werden. Die untersuchten BHKW leisten alle weniger Leistung als 1MW (ca. 400 KWel), d.h. die BHKW sind immissionsschutzrechtlich nicht genehmigungs-bedürftige Anlagen. Die Angaben zur TA-Luft sind daher nur zur Einordnung und nicht zwingend (siehe Kapitel 4.2.1 Schadstoffemissionen).

Etwa 17 Monate lang wurden die BHKW beobachtet und der Analyse unterzogen. Innerhalb dieser Zeit wurden für die drei Anlagen folgende Kohlenmonoxidemissionen (CO) festgestellt: 23,6 mg/Nm3; 38,8 mg/Nm3 und 55,8 mg/Nm3 (für Modul 1) bzw. 183,4 mg/Nm3 (für Modul 2). Damit liegen die Werte deutlich unter der Emissionsbegrenzung gemäß TA-Luft von 300 mg/Nm3 (für Anlagen > 1MW). Auch die Kohlenwasserstoffemissionen (HC) weisen niedrige Werte, gemittelt von 4-11 mg/Nm3 auf. Dieses ist in erster Linie auf die Verwendung von Oxidationskatalysatoren zurückzuführen, welche in allen drei BHKW ihre Anwendung fanden. Oxidationskatalysatoren sind für Pflanzenöl besonders geeignet und werden heutzutage vielfach eingesetzt. Sie verringern deutlich CO, HC sowie Aldehyde und auch Gerüche. Bei den Emissionen der Stickstoffoxide sind Unterschiede erkennbar. Bei dem ersten BHKW mit Wirbelkammer befand sich etwa 2000 mg/Nm3 NOx im Abgas, wohingegen im Abgas des zweiten und dritten BHKW mit Direkteinspritzung etwa 2800-3300 mg/Nm3 NOx gemessen worden sind. Die Emissionsbegrenzung der TA-Luft (2002) für NOx bei Anlagen >1MW Leistung beträgt 1000 mg/Nm3. Dieser Wert kann wahrscheinlich durch nachmotorische Maßnahmen (Entstickungskatalysatoren) erreicht werden. Die Staubemissionen zeichnen sich bei dem letzten BHKW durch den Einsatz von Rußfiltern positiv aus. Mit 2,6 bzw. 3,7 mg/Nm3 Staub hat das dritte BHKW niedrigeren Ausstoß als die beiden anderen BHKW, bei denen wurden 80 bzw. 100 mg/Nm3 ermittelt, wobei die TA-Luft eine Begrenzung von 20 mg/Nm3 vorsieht. Der Orientierungszielwert für Staubemissionen könnte mit Abgaspartikelfiltersystemen erreicht werden. Diese Untersuchung zeigt, dass bisher noch keine zuverlässigen Partikelfiltersysteme mit praxisgerechtem Kosten- und Wartungsaufwand verfügbar sind.^[88]

Im Folgenden sind diese Ergebnisse in Diagrammen dargestellt, wobei die Emissionen bei Pflanzenöl-BHKW bei Nennlast, Mittel, Minimum und Maximum von 30-Minuten-Mittelwerten, bezogen auf trockenes Abgas unter Normbedingungen und 5% O2-Gehalt gemessen wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 17 und 18: CO-Emissionen und NOx-Emissionen^[89]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 19: Staub-Emissionen^[90]

Die erläuterte Untersuchung ist aus den Jahren 1999/2000. Obwohl die meisten Werte die Emissionsbegrenzungen der TA-Luft, die für die Leistungsklasse der beobachteten BHKW nicht bindend ist, nicht überschreiten (außer die Stickstoffoxidemissionen), muss jeweils der Stand der Technik berücksichtigt werden.

Demnach sind die Emissionswerte älter als die nach dem Stand der Technik festgelegte Begrenzung in der TA-Luft (2002). Die gemessenen Emissionswerte hielten, die zu derzeit gültige TA-Luft (1986) ein. In der unten aufgeführten Tabelle sind die gemessenen Emissionswerte, die damaligen Emissionsbegrenzungen und die heutigen Emissionsbegrenzungen aufgezeigt. D.h. im Rahmen dieser Diplomarbeit werden zwingendermaßen ältere Emissionswerte als die Festlegung der TA-Luft verglichen. Dies verdeutlicht nochmals, dass in der Hinsicht keine großartigen Untersuchungen vorzufinden sind.

Die Tabelle 1 fasst die Ergebnisse zusammen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Ergebnisse der Abgasemissionsmessungen^[91]

Allgemein ist hier zu erwähnen, dass sehr wenige Untersuchungen in Bezug auf das Emissionsverhalten der pflanzenölbetriebenen BHKW vorliegen. In einer Befragung im Namen des Bayerischen Staatsministeriums für Landesentwicklung und Umweltfragen, wurde eine telefonische Umfrage bei BHKW-Betreibern durchgeführt.^[92] Zur Ergebniserstellung mussten dann doch Literaturrecherchen herangezogen werden, weil die Umfrage ergab, dass Emissionsmessungen an Anlagen entweder nicht durchgeführt wurden oder dass die Messungen bei der Abnahme in Ausnahmefällen dokumentiert wurde.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung ergaben, dass die Emissionsbegrenzungen der TA-Luft (2002) bei CO ganz und bei NOx überwiegend eingehalten worden sind. Aber auch hier zeigte sich, dass die Emissionen der Partikelmasse (Staub) die Begrenzung der TA-Luft nicht einhalten konnten.

Da die Motorenoptimierung immerwährend fortschreitet, beziehen sich die dargestellten Ergebnisse zum Teil auf heute nicht mehr übliche Bauarten. Somit gibt das aufgezeigte Abgasverhalten nicht unbedingt den aktuellen Stand der Technik wieder. Deshalb und auch aufgrund der auf unterschiedliche technische Maßnahmen abgestimmten Motoren und unterschiedlichen Rahmenbedingungen (Motorbauart, Motoreinstellung, Abgasreinigung, Kraftstoffqualität) lassen sich zum Teil die sehr großen Spannweiten einzelner Abgaskonzentrationen erklären.

Auch die Anstrengung für die Optimierung von Pflanzenölmotoren wird mit großen Bemühungen zeitweise erprobt. Demzufolge wurde schon 1996 der sog. „Mahler-Motor“ nach dem gleichnamigen System entwickelt. Es sollte innerhalb des Motors die Verbrennung und zugleich das Emissionsverhalten optimieren. Das Projekt wurde mit positiven Erfahrungen und weiterhin auch mit der Feststellung, dass noch weiterer Handlungs- und Optimierungsbedarf vorherrscht, abgeschlossen^[93]. Das Projekt wird in seinen Details im Anhang B ausführlich wiedergegeben.

Insgesamt deuten die Ergebnisse auf weiteres Entwicklungspotenzial bei den Motoren, Abgasreinigungssystemen und auf die Einhaltung von Kraftstoffqualitäten hinsichtlich der Minimierung des Schadstoffausstoßes hin. Dieses Potenzial ist insbesondere im Interesse der Luftreinhaltung zu nutzen. Zu bemerken ist, dass die Kraftstoffqualität für Pflanzenöl erst 1996 begonnen wurde zusammenzutragen und erst 2000 die Rapsölqualität als Kraftstoff zu einem Qualitätsstandard formuliert worden ist.^[94]

2.4 Umweltaspekte

Die beiden grundsätzlichen und unbestrittenen Vorteile der gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung sind die Energieeinsparungen und die Umweltentlastung gegenüber den konventionellen Kraftwerken und Heizkesseln mit getrennter Strom und Wärmeerzeugung. Die effizientere Ausnutzung des Brennstoffes bietet Vorteile. Die Abwärme geht nicht als „Verlust“ verloren, sondern wird als hochwertiges Produkt genutzt. Es entstehen auch keine hohen Transportverluste mehr. Wie auch bereits in Kapitel 2.1 erklärt, wird durch die Kopplung ein hoher Gesamtwirkungsgrad und auch Primärenergieeinsparungen erzielt. Weniger Brennstoffeinsatz ist erforderlich, daher werden Energieträger geschont.

Auch wenn einige Abgasemissionen die Begrenzungen noch nicht ganz einhalten können (siehe 2.3.2. Abgasemissionen), kann im Ganzen betrachtet gesagt werden, je weniger Brennstoffeinsatz desto weniger Emissionen.

Die für den Umweltschutz entscheidenden Faktoren sind die C02-Emissionen. Werden die Emissionen eines BHKW, mit den Emissionen eines Kraftwerkes mit Heizkessel verglichen, ergibt sich eine Verminderung der CO2-Emissionen um 29 %.^[95] Im Anhang A befinden sich Abbildungen (A19 und A20) zu CO2-Einsparungen und Energieeinsparungen bei getrennter und gekoppelter Erzeugung von Strom und Wärme.

Für eine Gesamtbeurteilung zur Nutzung von Pflanzenöl als Kraftstoff, sind eine Vielzahl von Aspekten während des Gesamtverfahrens (Rapssaatherstellung, Rapsanbau, Ölgewinnung, Lagerung und Transport, Verwertung) zu berücksichtigen.

Es sind viele Vorteile von Rapsöl gegenüber fossilen Kraftstoffen zu nennen. An erster Stelle stehen die geringe Wassergefährdung und die hohe biologische Abbaubarkeit. Aufgrund der geringen Flüchtigkeit von Rapsöl während der Produktion und Verteilung, ebenso wie von den eingesetzten Hilfs- und Begleitstoffen im Gegensatz zu mineralischen Kraftstoffen ist von keinem nennenswerten Emissionsrisiko des Rapsöls auszugehen. Die Bewertung der Umweltauswirkungen zur Bodenerosion, Bodenverdichtung, Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffeintrag ins Grundwasser und Gewässer sowie Risiken durch Pflanzenschutzmittelanwendung ist deutlich schwieriger.^[96] Diese Umweltauswirkungen lassen keinen direkten Vergleich zu fossilen Kraftstoffen zu, deshalb soll hier im Rahmen dieser Arbeit nicht näher darauf eingegangen werden. Ein wichtiger Aspekt sind natürlich die Schadstoffemissionen bei der Verbrennung des Kraftstoffes, diese sind aber schon in Kapitel 2.3.2 dargestellt.

2.5 Einsatzgebiete

Die typischen Einsatzgebiete von BHKW sind dort, wo gleichzeitig Strom und Wärme anfallen und der Bedarf an Brauchwasser-, Heiz- oder Prozesswärme gedeckt werden kann. Wichtig ist, dass sich die Einsatzobjekte durch einen kontinuierlichen Wärmebedarf über das Jahr auszeichnen sollten.

Besonders günstige Einsatzbedingungen bieten:^[97]

- Krankenhäuser
- Schwimmbäder, möglichst Hallenbäder
- Industriegebäude mit entsprechendem Prozesswärmebedarf
- Gastronomien
- Klimatisierte Objekte (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)
- Hotels, Gasthöfe, Tagungsstätte
- Altenwohnheime, Studentenwohnheime
- Gewerbeobjekte mit möglichst hohem Wärmebedarf

Zu den typischen Einsatzgebieten zählen auch Objekte, wo die spezifischen Vorteile des Pflanzenöls besonders zu tragen kommen, beispielsweise bei der dezentralen Strom- und Wärmeversorgung in ländlichen Gebieten oder in Gegenden, wo hohe Auflagen des Boden- und Gewässerschutzes zu erfüllen gilt (z.B. Berghütten, Naturschutzgebiete).^[98]

Die Abbildung 20 gibt die Einsatzgebiete von konventionellen BHKW in prozentualen Anteilen in einem Tortendiagramm wieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 20: Einsatzgebiete von Verbrennungsmotor BHKW^[99]

Kapitel 3

- Brennstoff: Rapsöl -

„Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig

werden wie Petroleum von heute.“

- Rudolf Diesel im Jahre 1912 -

3 Brennstoff: Rapsöl

3.1 Stoffeigenschaften und Qualitätssicherung

Raps (Brassica napus L.) gehört zur Familie der Kreuzblütler und besteht aus kleinen schwarzbraunen Körnern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 21: Rapskörner^[100]

Raps besitzt energierelevante Eigenschaften. Der Ölgehalt der Samen des Rapses liegt durchschnittlich bei 39 bis 43 %. Ideale Anbauvoraussetzungen sind tiefgründige, milde Lehmböden. Auch schwere Böden und humose Sandböden mit guter Nährstoffversorgung sind bei ausreichenden Niederschlägen sowie gleichmäßiger Niederschlagsverteilung geeignet.^[101]

Raps verbessert durch seine tiefen Wurzeln und das auf dem Acker verbleibende Rapsstroh für die nachfolgende Frucht die Bodenstruktur und ist deswegen eine sehr gute Vorfrucht. Weizen z.B. bringt nach dem Rapsanbau ca. 7 dt/ha höhere Erträge als Weizen nach Weizenanbau.^[102] Im Allgemeinen wird Raps in Getreidefruchtfolgen alle vier Jahre angebaut. 2005 wurde in Deutschland 1,3 Millionen Hektar Raps angebaut. In der Europäischen Union ist Deutschland mittlerweile der führende Rapserzeuger.

Rapsöl als Kraftstoff allerdings ist, wie alle anderen Kraftstoffe auch, verlässlich, wenn wichtige Eigenschaften des Kraftstoffes definiert und eingehalten werden. Definierte Kraftstoffqualitäten sind für die Beurteilung des Betriebsverhaltens und die Weiterentwicklung von Motoren erforderlich. Außerdem ist eine definierte Kraftstoffqualität Grundlage für den Handel mit Kraftstoff.

Unter der Führung des Technologie- und Förderzentrums, TFZ (ehemals Bayerische Landesanstalt für Landtechnik) wurde erstmals im Jahre 1996 begonnen eine Qualität von Rapsölkraftstoff zu definieren. Dieses wurde im „Qualitätsstandard für Rapsöl als Kraftstoff (RK-Qualitätsstandard)“, auch bekannt als Weihenstephaner Qualitätsstandard, zusammengefasst. Die Richtwerte für den Qualitätsstandard wurden im Mai 2000 formuliert. Ab Herbst 2003 wurde auf Grundlage dieses RK-Qualitätsstandards eine Vornorm für Rapsölkraftstoff (Vornorm DIN 51605 „Rapsölkraftstoff“) erarbeitet. Im Juni 2005 wurde dann der Entwurf der Vornorm veröffentlicht und bis Ende 2005 wurden Veränderungen und Einsprüche überarbeitet, so dass heute die DIN V 51605 gültig ist.

Das Deutsche Institut für Normung e.V. trifft für die Rechtsverbindlichkeit von DIN- Normen folgende Aussage:

„DIN-Normen stehen jedermann zur Anwendung frei. Das heißt, man kann sie anwenden, muss es aber nicht. … DIN-Normen sind jedoch keine Lehrbücher. Deshalb muss jemand, der sie anwendet, soviel Sachverstand haben, dass er die Verantwortung für sein Handeln selbst übernehmen kann.“ ^[103]

In der folgenden Tabelle ist das RK- Qualitätsstandard abgebildet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 22: Qualitätsstandard für Rapsölkraftstoff^[104]

Die unten aufgeführte Tabelle weist die festgelegten Grenzwerte der gültigen DIN-Norm auf. Die DIN V 51605 kann bei der Beuth-Verlag GmbH, Berlin oder unter www.din.de kostenpflichtig bezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 23: Rapsölkraftstoffqualität nach DIN V 51605

Im Folgenden werden einige für Rapsöl charakteristische Eigenschaften erläutert.

Der Flammpunkt gibt die Temperatur wieder, bei der entflammbare Dämpfe gebildet werden. Er hat vor allem Bedeutung bei der Einstufung von Flüssigkeiten in Gefahrenklassen. Rapsöl weist einen Flammpunkt von ca. 230°C auf und gewährleistet somit eine hohe Lagerungs- und Transportsicherheit. Daher werden Pflanzenöle im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen keiner Gefahrenklasse gemäß der Verordnung brennbarer Flüssigkeiten (VbF) zugeordnet. Der Flammpunkt dient auch zur Identifizierung von Beimischungen anderer Kraftstoffe, weil bereits geringe Vermischungen mit ca. 0,5 Masse-% Dieselkraftstoff zu einer Unterschreitung des Grenzwertes von 220°C führen.^[105]

Der Heizwert ist ein Messwert für den Energiegehalt eines Kraftstoffes. Für die Beschreibung von Kraftstoffen wird der für die motorische Verbrennung relevante untere Heizwert herangezogen. Der volumenbezogene Heizwert ist aufgrund der höheren Dichte des Rapsöls mit ca. 34.590 kJ/l nur um etwa 3% geringer als der Heizwert für Dieselkraftstoff mit ca. 35.870 kJ/l. Daraus folgt, dass der Kraftstoffverbrauch eines Pflanzenölmotors annähernd gleich hoch ist, wie bei Dieselmotoren. Im Gegensatz dazu liegt der volumenbezogene Heizwert von Biodiesel mit ca. 32.650 kJ/l etwa 9% niedriger als bei Dieselkraftstoff.^[106]

Die kinematische Viskosität eines Kraftstoffes beeinflusst das Förderverhalten und die Zersträubung des Kraftstoffes an den Einspritzdüsen. Hohe Viskositäten führen bei nicht umgerüsteten, d.h. für Pflanzenöl nicht geeigneten Motoren zu Kaltstartproblemen. Zu geringe Viskositäten dagegen erschweren den Heißstart, führen zu Leistungsverlusten und zu Pumpenverschleiß. Für Rapsöl beträgt die kinematische Viskosität bei 40°C ca. 35 mm2/s. Dies ist etwa 10-mal so hoch wie bei Dieselkraftstoff.

Die Charakterisierung des Kälteverhaltens von Kraftstoffen wird durch verschiedene Kennwerte wie Cloudpoint (CP), Cold-Filter-Plugging-Point (CFPP) oder Pourpoint (PP) erfasst. Diese Verfahren sind für Pflanzenöle nicht geeignet, da der Übergang von der flüssigen in die feste Phase bei verschiedenen Kraftstoffen sehr unterschiedlich verläuft. Es ist bekannt, dass Rapsöl eine temperaturabhängige Viskosität aufweist und bei niedrigen Temperaturen den Aggregatzustand von flüssig zu fest wechselt. Ein Laborverfahren zur Beschreibung der Wintertauglichkeit von Rapsöl steht derzeit nicht zur Verfügung, aber es wird derzeit ein Prüfverfahren mittels eines Rotationsviskosimeters entwickelt.^[107]

Ebenso verhält es sich mit der Beschreibung der Zündwilligkeit. Da bei dem angewandten Prüfverfahren für Dieselkraftstoff die verwendeten Prüfmotoren nicht pflanzenöltauglich sind, ist dieses Verfahren für die Beschreibung der Zündwilligkeit anhand der Cetanzahl für Rapsölkraftstoff nicht geeignet. Es wird derzeit ein neues motorunabhängiges Prüfverfahren erprobt. Die bisher gemessenen Werte für die Cetanzahl von Rapsölkraftstoff liegen etwa bei 40.

Der Koksrückstand beschreibt die Tendenz eines Kraftstoffes, bei der Verbrennung kohlenstoffhaltige Rückstände zu bilden. Rapsöl weist einen Koskrückstand von etwa 0,3 Masse-% auf. Erfahrungen in der Praxis zeigten, dass bei Koksrückständen unter 0,4 Masse-% keine kraftstoffbedingten Betriebstörungen in pflanzenöltauglichen Motoren auftreten.

Die Iodzahl charakterisiert die Art des Pflanzenöls. Es ist ein Maß für die mittlere Anzahl von Doppelbindungen der Fettsäuremoleküle. Je niedriger die Iodzahl, desto höher ist die Sättigung der Moleküle. Die Iodzahl gibt Aufschluss über die Neigung zu Ablagerungen im Brennraum und an Einspritzdüsen bei der motorischen Verbrennung. Pflanzenöle mit hoher Iodzahl sind meist weniger alterungsbeständig und neigen deshalb eher zum Verharzen, sowie zur Bildung von Ablagerungen im Motor als Pflanzenöle mit hohem Sättigungsgrad. Rapsöl ist mit einer mittleren Iodzahl von ca. 115 g/100g in kühlen, dunklen Umgebungen und unter Vermeidung von oxidationsfördernden Bedingungen weitgehend lagerstabil.^[108]

Im Allgemeinen weisen Pflanzenöle von Natur aus einen geringen Schwefelgehalt auf. Bei hohen Schwefelgehalten im Kraftstoff kann sich Schwefel an die aktive Schicht des Katalysators anlagern. Außerdem kann Schwefel im Kraftstoff zur Versauerung des Motorenöls beitragen. Ebenso hat der Schwefelgehalt Auswirkungen auf die Langlebigkeit des Motors. Rapsölkraftstoff hat einen geringen Schwefelgehalt von kleiner als 10 mg/kg und setzt bei der Verbrennung dementsprechend nur geringe Mengen an SOX und partikelgebundene Sulfate frei.^[109]

Der Qualitätsstandard für Rapsölkraftstoff definiert auch Grenzwerte für die variablen Eigenschaften von Rapsöl. Diese Qualitätsmerkmale werden durch die Qualität der Rapssaat, die Trocknung und Lagerung der Rapssaat, dem Ölgewinnungsprozess sowie dem Transport und der Lagerung des Öls beeinflusst. Diese können Schwankungen unterliegen und bedürfen ständiger Überprüfung im Hinblick auf eine Qualitätssicherung.

Um die Anforderungen der DIN 51605, sowohl für die charakteristischen Eigenschaften sowie der variablen Eigenschaften des Kraftstoffes erfüllen zu können, sind bei Produktion und bei dem Umgang mit dem Rapsölkraftstoff Qualitäts-sicherungsmaßnahmen durchzuführen. Hierzu gehören z.B. die richtigen Lagerungsanforderungen, wie Vermeiden von Temperaturschwankungen, dunkle Lagerräume, kühle Lagertemperaturen sowie Räume ohne Zutritt von Schmutz und Wasser. Kontakte mit katalytisch bzw. oxidativ wirkenden Metallen (z.B. Kupfer) sind zu vermeiden. Für weitere Informationen für Lagerung und Handhabung von Rapssaat bis hin zur Herstellung des Rapsöls kann hier die Handreichung „Hinweise zur Erzeugung von Rapsölkraftstoff in dezentralen Ölgewinnungsanlagen“ vom Technologie- und Förderzentrum empfohlen werden. Die Handreichung kann auch unter www.tfz.bayern.de heruntergeladen werden.

3.2 Entwicklung des Rapsöls bis heute

Die Anfänge des Rapsanbaus lassen sich in Mitteleuropa bis in das 14. Jahrhundert zurückverfolgen. Seitdem wurde das Rapsöl zu Speisezwecken und vor allem als Lampen- und Schmieröl verwendet. Die bei der Ölgewinnung anfallenden eiweißhaltigen Pressrückstände dienten damals schon, wie heute auch, als Viehfutter. Die Erfindung der hydraulischen Presse im Jahre 1795 ermöglichte es, dass das Öl im größeren Maßstab gewonnnen werden konnte. Der industrielle Aufschwung im 19. Jahrhundert eröffnete neue Einsatzmöglichkeiten für Rapsöl, da ein großer Bedarf an Schmieröl für die Maschinen gedeckt werden musste.^[110]

Die Industrialisierung und der enorme Bevölkerungsanstieg zogen einen hohen Bedarf an pflanzlichen Nahrungsmitteln mit sich. Dieser Trend wurde noch dadurch gestärkt, dass zu dieser Zeit tierische Lebensmittel sehr teuer waren. Mit der Entdeckung der Margarineherstellung im Jahre 1869 konnten pflanzliche Öle in noch größerem Umfang der menschlichen Ernährung zugeführt werden. Durch weitere technische Entwicklungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts, wie z.B. die Erfindung der Extraktion des Öls mit organischen Lösungsmitteln konnte die Ölausbeute noch wesentlich erhöht werden. Seit dem 19. Jahrhundert wurden Züchtungsmaßnahen der Rapspflanze durchgeführt. Im Jahre 1974 gelang es die 0-Raps (sprich: Null-Raps) zu züchten. Elf Jahre später (1985) konnte der Glucosinolatgehalt des 0-Rapses auf unter zehn Prozent des Ausgangswertes gesenkt werden. Glucosinolate in Raps sind unerwünscht, weil sie die Eignung des Rapskuchens für die Tierfütterung einschränken. Seither wird die Rapspflanze mit der Züchtigungssorte 00-Raps angebaut und es stellt für die menschliche Ernährung ein hervorragendes Fettsäuremuster und darüber hinaus ein wertvolles Eiweiß für die Tierfütterung dar.^[111]

Heute wird das Rapsöl für Ernährungszwecke als weit verbreitetes Speiseöl verwendet oder als Zutat in Margarine, Mayonnaisen, Backwaren und in anderen Produkten weiterverarbeitet. Darüber hinaus wird Rapsöl in chemisch-technischen Bereichen als Schmierstoff und Hydrauliköl verwendet. Auch in Kosmetikmitteln, in Farben und Lacken sind Rapsöle wieder zu finden. Aber der wesentliche Einsatzbereich für Rapsöl ist seine Verwendung als Kraftstoff, sei es als Kraftstoff in Kraftfahrzeugen oder als Brennstoff in Heizkraftwerken. Allerdings ist der Einsatz als Brennstoff in Heizkraftwerken und Verbrennungsmotoren noch nicht weit verbreitet.

Die Abbildung verdeutlicht die Verwendung des Rapsöls von insgesamt 1.881.881 Tonnen Rapsöl im Jahre 2005.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 24: Verwendung von Rapsöl (2005)^[112]

Die chemische Industrie nutzt 800.000 Tonnen pflanzlicher Öle (davon ca. 120.000 Tonnen Rapsöl) und weitere 350.000 Tonnen tierischer Fette jedes Jahr in Deutschland, davon allein 430.000 t für die Herstellung von Tensiden für Wasch- und Reinigungsmittel, Pharmaka oder Kosmetika. 46.500 t werden jährlich für die Herstellung von Schmierstoffen und Hydraulikölen verwendet. Die überwiegende Menge von 890.090 t fließt jedoch in die Herstellung von Biodiesel oder wird direkt als Pflanzenölkraftstoff genutzt.^[113]

3.3 Rapsölgewinnung

Grundsätzlich gibt es zwei Herstellungsverfahren für die Pflanzenölgewinnung. Die dezentrale Kaltpressung, die oft direkt in landwirtschaftlichen Betrieben oder Genossenschaften stattfindet, und die zentrale Herstellung in den industriellen Großanlagen.

a) Dezentrale Rapsölherstellung

Die folgende Abbildung verdeutlicht die Rapsölproduktion in dezentralen Anlagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 25: Rapsölgewinnung in dezentralen Anlagen^[114]

Die Rapssaatverarbeitung erfolgt in zwei Hauptschritten: die Pressung sowie die darauf folgenden Reinigungs- und Filtervorgänge.

Vorerst wird die gereinigte und getrocknete Rapssaat mittels konventioneller Fördersysteme, wie Becherwerke, Schnecken- oder Schüttförderer aus dem Saatlager in die Ölpresse gefördert. Gleichzeitig kann die Saat gezielt mit Abwärme aus der Prozessenergie oder mittels Wärmetauscher für die Verarbeitung vorgewärmt werden. Es wird meist ein zusätzlicher Abscheider von Metallteilen sowie Sicht-, Dosier- und auch Wiegemöglichkeiten in der Praxis empfohlen.^[115]

Die dezentralen Ölgewinnungsanlagen basieren ausschließlich auf mechanischem Prinzip mit Schneckenpressen. Hier kann zwischen Lochzylinder- und Seihenschneckenpressen unterschieden werden. Das Abpressen des Öls sollte schonend erfolgen, um den Übergang unerwünschter Fettbegleitstoffe in das Öl möglichst zu unterbinden. Die Ölpressung hat insbesondere einen Einfluss auf den phosphor-, Calcium-, und Magnesiumgehalt im Öl.

Die Verarbeitungstemperaturen beim Kaltpressverfahren belaufen sich in der Ölpresse in einem Bereich von 50°C bis 65°C. Es lassen sich Abpressgrade von 75% bis 85% in dezentralen Anlagen erzielen. Der Restölgehalt des Presskuchens liegt bei ca. 10- 15%. Wird der Presskuchen in einer zweiten Pressung weiter entölt, so eignet sich dieses Öl nicht mehr als Kraftstoff.^[116]

Im Anschluss an das Pressen erfolgt das Reinigen des Truböls. Es beeinflusst ebenfalls entscheidend die Produktqualität. Unter der Aufbereitung des Rohöls wird im Wesentlichen die Beseitigung fester Verunreinigungen verstanden. Die Reinigung kann entweder durch Sedimentation, Filtration oder Zentrifugation erfolgen. Die einfachste Art ist die Sedimentation in einem System von Absetzbehältern. Schwerpunktmäßig kommt aber das klassische Filtrationsverfahren mit Filterhilfsmitteln in der dezentralen Verarbeitung zu Einsatz. Zumeist werden sowohl halb- und vollautomatische Kammer- und Rahmenfiltersysteme, als auch Vertikal-Druckkerzenfilter eingesetzt. Das Öl nach der Ölreinigung mit unterschiedlicher Art des Reinigungsverfahrens enthält noch Feinstpartikel, so dass ein Sicherheitsfilter nachgeschaltet werden muss, um den geforderten Qualitätsstandard des Rapsöls zu erreichen.

b) Zentrale (industrielle) Rapsölherstellung

In der abgebildeten Skizze sind die Verfahrensschritte bei der industriellen Ölsaatenverarbeitung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 26: Rapsölgewinnung in zentralen Anlagen^[117]

Die Ölgewinnung in industriellen zentralen Ölmühlen erfolgt durch die Vorkonditionierung der Saat durch Dampferhitzung. Die mechanische Vorpressung gewinnt etwa die Hälfte des in der Saat enthaltenen Öls. Das restliche Öl aus dem Ölkuchen wird mit einem Lösungsmittel extrahiert. In einem weiteren Schritt wird das Lösungsmittel aus dem Öl-Lösungsgemisch abdestilliert. Nach den Verfahrenschritten der Entschleimung, Entsäuerung, Bleichung und Desodorierung entsteht aus dem Rohöl ein Vollraffinat. Mit diesem Verfahren lassen sich bis zu 99% des in der Saat enthaltenen Öls gewinnen. Der verbleibende Extraktionsschrot hat einen Restölgehalt von unter 1% und kommt auch als Futtermittel zum Einsatz.

Hier ist die Unterscheidung des Rapskuchens von dem Rapsextraktionsschrott unbedingt zu beachten. Der Rapskuchen entsteht bei der dezentralen Herstellung des Öls, wobei der Extraktionsschrot bei zentralen Anlagen zur Ölgewinnung entsteht. Der Rapskuchen unterscheidet sich vom Extraktionsschrot in zwei wesentlichen Punkten. Einmal ist die Ölausbeute geringer und der Rohfettgehalt im Koppelprodukt „Kuchen“ höher. Zum anderen entfällt, da nicht erforderlich, der Toastprozess, d.h. die Behandlung mit Wasserdampf und anschließender Trocknung. Beim Extraktionsverfahren ist dieser Schritt notwendig, um Reste des Lösungsmittels aus dem Schrot zu entfernen.^[118] Beide Koppelprodukte lassen sich als Tierfutter weiterverwenden, doch der mengenmäßige Einsatz wird in erster Linie durch den Rohfettgehalt bestimmt. Die mögliche Einsatzmenge des Rapskuchens bewegt sich zwischen 1,5 bis 2 kg je Kuh und Tag. Grundsätzlich haben ölreichere Kuchen eine positive Auswirkung auf das Fettsäuremuster des Milchfettes.

Kapitel 4

- Rechtliche und steuerliche Rahmenbedingungen für BHKW -

4 Rechtliche und steuerliche Rahmenbedingungen für BHKW

Nachfolgend werden die relevanten rechtlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von pflanzenölbetriebenen BHKW vorgestellt Bedingt durch die nationale und europäische Gesetzgebung, unterliegen die Rahmenbedingungen fortlaufenden Veränderungen. Es wurde bei der Recherche auf Richtigkeit und Aktualität besonders geachtet, trotz alledem kann eine Vollständigkeit nicht garantiert werden.

4.1 Genehmigungsrechtliche Grundlagen

Blockheizkraftwerke benötigen entweder eine baurechtliche Genehmigung nach dem Baugesetzbuch (BauGB) und der jeweiligen Landesbauordnung oder eine immissionsschutzrechtliche Genehmigung nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG), außerdem muss die Anlage nach dem KWK-Gesetz zugelassen und beim Energieversorgungsunternehmen (EVU) angemeldet werden.

4.1.1 Baurechtliche Genehmigung

Anlagen, die zur Raumbeheizung oder zur Brauchwassererwärmung dienen fallen demnach in den Anwendungsbereich der jeweiligen Landesbauordnung (LBO). BHKW fallen auch in den Geltungsbereich der Verordnung über Feuerungsanlagen, Wärme- und Brennstoffversorgungsanlagen (Feuerungsverordnung FeuV). Hier sind zum Teil unterschiedliche Regelungen festgelegt worden. Bei bestimmten Bedingungen sind die Anlagen jedoch von der Genehmigungspflicht befreit. Nach der Bayerischen Landes-bauordnung (BayBO) beispielsweise, sind Anlagen nicht mehr genehmigungspflichtig, wenn es sich um die Errichtung oder Änderung einer Feuerstätte mit einer Nennwärmeleistung bis zu 50 kW handelt.

Generell lassen sich die Forderungen einer Landesbauordnung für BHKW wie folgt zusammenstellen (am Beispiel der Bayerischen Landesbauordnung):^[119]

- Aufstellung nur in Räumen, bei denen nach Lage, Größe, baulicher Beschaffenheit und Benutzungsart keine Gefahren entstehen (Art.41 Abs.3).
- Abgase sind so ins Freie zu führen, dass Gefahren oder unzumutbare Belästigungen nicht entstehen (Art.41 Abs.4).
- Brennstoffe sind so zu lagern, dass Gefahren oder unzumutbare Belästigungen nicht entstehen (Art.41 Abs.6).
- Für Schall-, Schwingungs- und Erschütterungsschutz ist zu sorgen, so dass keine Gefahren, vermeidbare Nachteile oder vermeidbare Belästigungen entstehen (Art.41 Abs.2, 3).^[120]
Auch die Bestimmungen der jeweiligen Länder-Feuerungsanlagenverordnung (FeuV) sind zu beachten:^[121]
- Aufstellung in Räumen mit Anlagen zur Luftabsaugung nur, wenn Abgasabführung durch entsprechende Maßnahmen überwacht bzw. sichergestellt wird. (§§10, 4).
- Bauteile mit brennbaren Baustoffen und Einbaumöbel müssen so weit von der Feuerstätte (BHKW) entfernt oder so abgeschirmt sein, dass keine höheren Temperaturen als 85°C auftreten können (§4).
- Für eine ausreichende Verbrennungsluftversorgung im Aufstellraum ist zu sorgen (§3).
- Die Verbrennungsgase sind über eigene dichte Leitungen über das Dach abzuführen (§11).
- Abgasanlagen sind so zu bemessen, dass die Abgase sicher ins Freie abgeführt werden und bestimmte Mindestabstände zu brennbaren Baustoffen eingehalten werden (§§7, 8).

4.1.2 Immissionsschutzrechtliche Genehmigung

Nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) ist eine Genehmigung für Pflanzenöl-BHKW erst ab 1 MW Feuerungswärmeleistung (entspricht ca. 400 kWel)

erforderlich (Nr.1.4, Spalte 2 des Anhangs zur 4.BimSchV, Fassung 20.4.98). Wenn mehrere Aggregate eingesetzt werden, so wird die maßgebende Leistungsgrenze durch Aufsummieren der einzelnen Leistungen gebildet, vorausgesetzt ein enger räumlicher und betrieblicher Zusammenhang ist gegeben (§1 Abs. 3, 4. BImSchV).^[122] Aber auch bei nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen, d.h. nur baurechtlich zu genehmigende Anlagen, weil sie eine Leistung aufbringen, die kleiner als 1 MW ist, sind durch §22 BImSchG so zu errichten und zu betreiben, dass^[123]

- schädliche Umwelteinwirkungen verhindert werden, die nach dem Stand der Technik vermeidbar sind,
- nach dem Stand der Technik unvermeidbare schädliche Umwelteinwirkungen auf Mindestmaß beschränkt werden,
- die beim Betrieb der Anlage entstehenden Abfälle ordnungsgemäß beseitigt werden können.

Die Grenzwerte für immissionsschutzrechtlich genehmigungspflichtige Anlagen befinden sich in der TA-Luft und sind in Kapitel 4.2.1. aufgewiesen.

[...]

---

^[1] Vgl. IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[2] Vgl. Voß, A., Die Kraft-Wärme-Kopplung, Technik, Potenzial und Umweltwirkungen, Physikalische Blätter 57 Nr.11,Weinheim 2001, S.61. Auch Online im Internet: http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART13405DE.PDF [Zugriff am .02.06.2006].

^[3] Vgl. Meixner, H./Stein, R. (2002), a.a.O., S.19.

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.31.

^[4] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.12.

^[5] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.12.

^[6] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.32.

Vgl. Belting, T. (1995), a.a.O., S.6.

^[7] Quelle : http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 04.06.06].

^[8] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.12.

^[9] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.13.

^[10] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.13.

^[11] Vgl. IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[12] Quelle: http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 06.06.06].

^[13] Vgl. Kaltschmitt, M. /Hartmann, H. (2001), a.a.O., S.393.

^[14] Vgl. Kaltschmitt, M. /Hartmann, H. (2001), a.a.O., S.392f.

Vgl. Voß, A. (2001), a.a.O., S. 61.

^[15] Vgl. Kaltschmitt, M. /Hartmann, H. (2001), a.a.O., S.394.

Vgl. Voß, A. (2001), a.a.O., S. 62.

Vgl. Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (Initiator und Auftraggeber),

Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 04.06.06].

^[16] Quelle: http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html#h4 [Zugriff am 06.06.06].

^[17] Vgl. Kaltschmitt, M. /Hartmann, H. (2001), a.a.O., S.394.

^[18] Vgl. Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (Initiator und Auftraggeber),

Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 04.06.06].

^[19] Quelle: http://www.etn.wsr.ac.at/(de)/kwk/portrait_kapitel-2_2.html [Zugriff am 01.06.06].

^[20] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S. 34.

^[21] Quelle: http://www.etn.wsr.ac.at/(de)/kwk/portrait_kapitel-2_2.html [Zugriff am 01.06.06].

^[22] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.34.

^[23] Vgl. Meixner, H./Stein, R. (2002), a.a.O., S.22.

^[24] Vgl. Kotschenreuther, Gasturbinen-Dampfturbinen-Heizkraftwerke, in: Suttor K.-H./ Suttor W. (Hrsg.),Handbuch Kraft-Wärme-Kopplung: Für Planer, Betreiber, Ausbildung, 1.Aufl., Karlsruhe 1991, S.49.

^[25] Quelle: http://www.etn.wsr.ac.at/(de)/kwk/portrait_kapitel-2_3.html [Zugriff am 01.06.06].

^[26] Vgl. Initiator und Auftraggeber: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie

Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 04.06.06].

Vgl. Voß, A. (2001), a.a.O., S.62.

^[27] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.38.

^[28] Vgl. BHKW-Info, Stirling-Motoren für die Kraft-Wärme-Kopplung, Stand August 2000, Online im Internet: http://www.bhkw-info.de/spezielle_themen/stirling-motor.HTML [Zugriff am 07.06.06].

^[29] Quelle: Klingebiel, M. (2005), a.a.O. S.27.

^[30] Vgl. http://www.sunmachine.de/deutsch/main.html [Zugriff am 15.06.06].

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.38.

^[31] Quelle: http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_6.html#h2 [Zugriff am 08.06.06].

^[32] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.24.

^[33] Vgl. Suttor, W.,(2005), a.a.O., S.40.

Vgl. Voß, A., Die Kraft-Wärme-Kopplung, Technik, Potenzial und Umweltwirkungen, Physikalische Blätter 57 Nr.11,Weinheim 2001,.Auch Online im Internet: http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART13405DE.PDF [Zugriff am 02.06.2006].

^[34] Quelle: http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_6.html#h1 [Zugriff am 08.06.06].

^[35] http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_6.html .

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.40.

^[36] http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_6.html.

^[37] Vgl. Initiator und Auftraggeber: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie

Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html [Zugriff am 04.06.06].

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.40.

^[38] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.25.

^[39] Vgl. Schaude, G., Zukunftstechnologie Brennstoffzelle, in: IHK Journal 10/2003, S.19. Auch Online im Internet: http://www.ihk-koblenz.de/journal/10-03/brennstoffzelle.pdf [Zugriff am 04.06.06].

^[40] Für nähere Informationen über die Studie : www.geschka.de .

^[41] Vgl Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), http://www.thema-energie.de/article/show_article.cfm?id=462&cid=1110 [Zugriff am 09.06.06].

Vgl. Gailfuß, M, BHKW-Infozentrum Rastatt, http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html [Zugriff am 22.05.06].

^[42] Vgl. IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, S. 55, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[43] http://www.bhkw-infozentrum.de/erlaeuter/kwkprinzip.html [Zugriff am 22.05.06].

^[44] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.53.

^[45] Quelle: Suttor, W. (2005), a.a.O., S.53.

^[46] Vgl. Thuneke, K / Hartmann,H. (2003), a.a.O., S.141.

^[47] Vgl. Thuneke, K / Hartmann,H (2003), a.a.O., S.141.

Vgl. Energie Agentur Mittelfranken e.V., Basisinfo: Blockheizkraftwerke, Online im Internet: http://www.energieagentur-mittelfranken.de/Basisinfos/Basisinfo_Blockheizkraftwerke.pdf [Zugriff am 28.05.06].

^[48] IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, S. 56, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[49] Vgl. Schmitt-Enertec GmbH, Technische Beschreibung der BHKW-Komponenten, Online im Internet: http://www.schmitt-enertec.de/bhkw/bhkw_beschreibung.htm [Zugriff am 08.06.06].

^[50] IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, S. 56, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[51] Vgl. Meixner, H./Stein (2002), a.a.O., S.47.

Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.21.

^[52] Vgl. Suttor; W /Müller, A. (2000), a.a.O., S.19.

^[53] Vgl. Schmitt-Enertec GmbH, Technische Beschreibung der BHKW-Komponenten, Online im Internet: http://www.schmitt-enertec.de/bhkw/bhkw_beschreibung.htm [Zugriff am 08.06.06].

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.54f.

^[54] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.21.

^[55] Vgl. Seva Energie AG, Blockheizkraftwerke, Online im Internet: http://www.seva.de/blockheizkraftwerke-02.htm [Zugriff am 08.06.06].

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.54f.

^[56] Vgl. Thuneke, K. /Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.143.

^[57] Vgl. Remmele, E./Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.18ff.

Vgl. Schmitt-Enertec GmbH, Technische Beschreibung der BHKW-Komponenten, Online im Internet: http://www.schmitt-enertec.de/bhkw/bhkw_beschreibung.htm [Zugriff am 08.06.06].

^[58] Vgl. Thuneke, K. /Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.143.

^[59] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.63f.

^[60] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.16f.

^[61] Vgl. Meixner, H./Stein (2002), a.a.O., S.50.

^[62] Die Wasserstoffmoleküle der Brennstoffe oxidieren zusammen mit dem Luftsauerstoff zu Wasser- bzw. Wasserdampf (H2O).

^[63] Vgl. Hertle, H. (2000), a.a.O., S.3ff.

^[64] Die Taupunkttemperatur ist die Temperatur bei der eine Kondensation des Abgases einsetzt.

^[65] Vgl. Hertle, H., (2000), a.a.O., S.4.

^[66] Ebenda

^[67] Ebenda

^[68] Vgl. Thuneke, K./ Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.143f.

^[69] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.23.

^[70] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.20.

^[71] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.23.

^[72] Ebenda, S.22.

^[73] Vgl. Meixner, H./Stein, R. (2002), a.a.O., S.46.

Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.62f.

^[74] Vgl. http://www.etn.wsr.ac.at/(de)/kwk/portrait_kapitel-1.html.

^[75] Vgl. Prankl, H. et al. (2005), a.a.O., S.15.

^[76] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K., (2002), a.a.O., S.22.

^[77] Quelle: http://www.kw-energietechnik.de/ [Zugriff am 12.06.06].

^[78] Vgl. Thuneke, K. /Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.140.

^[79] Vgl. Kern, C./Thuneke, K., (2002), a.a.O., S.29f.

^[80] Ebenda, S.32.

^[81] Vgl. Thuneke, K. /Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.140f.

^[82] Vgl. Kern, C./Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.29f.

^[83] Für mehr Informationen über Umrüstungen siehe Remmele, E./ Thuneke, K., Pflanzenölbetriebene Blockheizkraftwerke: Leitfaden. Auch Online im Internet: http://www.bayern.de/lfu/luft/veroeffentlich/umweltforsch/ern_energie/leitfaden.pdf.

^[84] Für weitere Informationen über die Literaturstudie siehe Kern, C./ Thuneke, K. (2002), S.77ff.

^[85] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K., (2002), a.a.O., S.43.

Vgl. Kern, C./ Thuneke, K., (2002), a.a.O., S.77ff

^[86] Freund, M. (2003), a.a.O., S.13.

^[87] Für weitere Informationen über die Studie siehe Thuneke, K., Pflanzenölbetriebene Blockheizkraftwerke: Betriebs- und Emissionsverhalten ausgewählter bayerischer Anlagen, Schwachstellenanalyse und Bewertung, Abschlussbericht, Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (Hrsg.), Augsburg 2002

^[88] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K., (2002), a.a.O., S.44f.

^[89] Quelle: Vgl. Thuneke, K., Rapsölkraftstoff in BHKW, in: Rapsölkraftstoff und Rapsspeiseöl aus dezentraler Ölsaatenverarbeitung, Tagung 16/17.Juni in Würzburg, Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.).

^[90] Quelle: Vgl. Thuneke, K., Rapsölkraftstoff in BHKW, in: Rapsölkraftstoff und Rapsspeiseöl aus dezentraler Ölsaatenverarbeitung, Tagung 16/17.Juni in Würzburg, Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.).

^[91] Eigene Darstellung in Anlehnung an Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.45.

^[92] Für weitere Informationen über die Umfrage siehe Kern, C./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.88ff.

^[93] Vgl. Wolfensberger, U./ Meyer, M., Pflanzenölmotor „System Mahler“ -Verbrennungsoptimierung und Emissionen, in: Tagungsband zum Internationalen Expertenforum „Rapsölkraftstoff in Traktoren und Blockheizkraftwerken“, Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.), Aachen 2003

^[94] Hierfür siehe Kapitel 3.1.

^[95] Vgl. Suttor, W. (2005), a.a.O., S.7.

Vgl. Fischer, J./ Kaltschmitt, M., Potenziale der KWK mit Biomasse- Eine systematische Analyse, in: Energetische Nutzung von Biomasse durch Kraft-Wärme-Kopplung, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (Hrsg.), Gülzow 2000, S.184.

^[96] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.39f.

Vgl. Thuneke, K., Rapsölkraftstoff in BHKW, in: Rapsölkraftstoff und Rapsspeiseöl aus dezentraler Ölsaatenverarbeitung, Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.), Straubing o.J. (Tagung 16/17.Juni in Würzburg), S.4.

^[97] Vgl. Klingebiel, M. (2005), a.a.O., S.30.

Vgl. http://www.bhkw-info.de/einfuehrung/bhkw-einsatz.html.

^[98] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.22.

^[99] Vgl. IUTA e.V., Kostenfunktionen für Komponenten der rationellen Energienutzung, Teil II: Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, S.54, Online im Internet: http://www.iuta.de/thermodynamik/preistatlas_teil_ii.PDF , [Zugriff am 16.08.06].

^[100] Vgl. Union zur Förderung von Energie- und Proteinpflanzen e.V. (UFOP) (Hrsg.), Raps- eine Kulturpflanze mit Perspektive, Berlin 2005, S. 20.

^[101].Vgl. Kaltschmitt, M. /Hartmann, H. (2001), S.73.

^[102] Vgl.Union zur Förderung von Energie- und Proteinpflanzen e.V. (UFOP) (Hrsg.), Raps- eine Kulturpflanze mit Perspektive, Berlin 2005, S. 20.

^[103] Deutsches Institut für Normung e.V. (2005): Rechtsverbindlichkeit von DIN-Normen. Online im Internet: http://www.normung.din.de

^[104] Quelle: http://www.elsbett.com/fileadmin/elsbett/archiv/de/weihenstephan.pdf [Zugriff am 14.08.06]

^[105] Technologie- und Förderzentrum (TFZ), Charakteristische Eigenschaften von Rapsölkraftstoff, Stand September 2006, Online im Internet: http://www.tfz.bayern.de/biokraftsoffe [Zugriff am 25.09.06].

^[106] Technologie- und Förderzentrum (TFZ), Pflanzenöl Eigenschaften, Online im Internet auf Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten: http://www.stmlf-design2.bayern.de [Zugriff am 19.09.06].

^[107] Ebenda

^[108] Technologie- und Förderzentrum (TFZ), Charakteristische Eigenschaften von Rapsölkraftstoff, Stand September 2006, Online im Internet: http://www.tfz.bayern.de/biokraftsoffe [Zugriff am 25.09.06].

^[109] Remmele, E., Eigenschaften von Rapsölkraftstoff und Qualitätssicherung, in: Tagungsband zum Internationalen Expertenforum „Rapsölkraftstoff in Traktoren und Blockheizkraftwerken“, Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (Hrsg.), Aachen 2003

^[110] Vgl. Union zur Förderung von Energie- und Proteinpflanzen e.V. (UFOP) (2005),a.a.O., S. 21.

^[111] Ebenda S.21.

^[112] Vgl. Union zur Förderung von Energie- und Proteinpflanzen e.V. (UFOP) (Hrsg.), Raps- eine Kulturpflanze mit Perspektive, Berlin 2005, S. 24.

^[113] Ebenda S.24.

^[114] Eigene Darstellung

^[115] Vgl. Vogt, D., Produktionsprozess (Rapsölkraftstoff), Endredaktion: Thuneke, K.,Technologie- und Förderzentrum, Stand März 2006; Online im Internet: http://www.biokraftstoff-portal.de/tfz [Zugriff am 24.09.06].

^[116] Vgl. Widmann, B./ Thuneke, K., Erhebung des technischen Standes bei pflanzenölbetriebenen Blockheizkraftwerken im Alpengebiet, Technische Universität München, Bayerische Landesanstalt für Landtechnik, München 2001, S.4.

^[117] Eigene Darstellung.

^[118] Vgl. Weiß, J., Rapskuchen in der Milchviehfütterung, Veredlungsproduktion Ausgabe1/2006, Stand April 2006, Online im Internet: http://www.veredlungsproduktion.de [Zugriff am 20.09.06].

^[119] Vgl. Thuneke, K./ Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.148.

Vgl. Böhnisch, H./ Klingebiel, M./ Nast, M. (2004), a.a.O., S.64.

^[120] Vgl. Bayerische Landesbauordnung (BayBO), Art. 41.

^[121] Vgl. Remmele, E./ Thuneke, K. (2002), a.a.O., S.23 f.

^[122] Vgl. Thuneke, K./ Hartmann, H. (2003), a.a.O., S.148.

^[123] Vgl. Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

• College: Technical University of Berlin
• Grade: 1,7
• Author: Dipl.-Wi.-Ing. Nezihe Erul (Author)
• Publication Year: 2006
• Pages: 286
• Catalog Number: V70770
• ISBN (eBook): 9783638617093
• Language: German
• Tags: Anlagendimensionierung, Wirtschaftlichkeitsanalyse, BHKW, Rapsöl-Betrieb, Berücksichtigung, Energiesteuergesetzes