Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau
Ökonomische, energetische und ökologische Analysen
©1997
Diplomarbeit
133 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
In einem Industriestaat, wie die Bundesrepublik Deutschland, ist eine innovative Energiewirtschaft (d.h. rationelle Energienutzung ) für eine positive wirtschaftliche Entwicklung von großer Bedeutung. Ziel der Energiepolitik sollte eine sichere, ausreichende, preiswerte und umweltfreundliche Energieversorgung der Endabnehmer sein.
Daneben hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger und der Kernbrennstoffe sowie der weltweit wachsende Energiebedarf uns dazu zwingen, mit dem Wirtschaftsgut Energie noch sparsamer umzugehen.
In dieser Diplomarbeit ist der mögliche Einsatz eines Blockheizkraftwerkes für die Energieversorgung eines Fünffamilienhaus bzw. Doppelfamilienhaus in Kraft-Wärme-Kopplung ausgearbeitet und auf dessen Wirtschaftlichkeit untersucht worden.
Ausgehend von einer ausführlichen Beschreibung der BHKW-Technik mit dem Aufzeigen der Primärenergie- und Emissionseinsparungen und den Zukunftschancen der BHKW-Technik dienten die Normwärmebedarfsberechnungen der beiden Wohnhäuser, die 1/4-h-Strommesswerte des Energie-Analyse-Systems MES 3D und die Strom- und Gasabrechnungen vom Energieversorger Oberhausen als Berechnungsgrundlage für den BHKW-Einsatz. Um den zeitlichen Verlauf von Strom- und Wärmebedarf genau untersuchen zu können, wurden gemäß VDI-Richtlinie 2067, Blatt 7 repräsentative Tagesganglinien erstellt. Zur Ermittlung der elektrischen Leistung des Überschussstroms bzw. des Zusatzstrombezuges ist das 1/4-h-Zeitintervall herangezogen worden. Für die Bewertung der elektrischen Arbeit in diesen Zeiträumen reichte das 1-h-Zeitintervall aus.
Die Dimensionierung des BHKW erfolgte anhand der Tagesganglinien. Diese wurde thermisch mit 13 kW und elektrisch zu 6 kW ermittelt. Somit wurde das Aggregat von Dachs Senertec mit 12,5 kW therm. und 5,5 kW elektr. ausgewählt.
Die Wirtschaftlichkeitsberechnung erfolgte ausführlich auf der Grundlage der VDI-Richtlinie 2067, Blatt 1 und 7, wobei nach wärmeorientierte-, stromorientierte- und Hochtarif-Fahrweise unterschieden wurde.
Mit der angefertigten Kosten und Umweltanalyse liegt ein Konzept zur Primärenenergieeinsparung und Energiekostensenkung vor.
Im allgemeinen stellt die BHKW-Technik in Bezug auf Ressourcen- Umweltschonung eine echte Option für die Zukunft dar. Bisher war man davon ausgegangen, dass BHKW's nur in größeren Leistungsklassen wirtschaftlich laufen, aber in dieser Diplomarbeit zeigte sich, dass […]
In einem Industriestaat, wie die Bundesrepublik Deutschland, ist eine innovative Energiewirtschaft (d.h. rationelle Energienutzung ) für eine positive wirtschaftliche Entwicklung von großer Bedeutung. Ziel der Energiepolitik sollte eine sichere, ausreichende, preiswerte und umweltfreundliche Energieversorgung der Endabnehmer sein.
Daneben hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger und der Kernbrennstoffe sowie der weltweit wachsende Energiebedarf uns dazu zwingen, mit dem Wirtschaftsgut Energie noch sparsamer umzugehen.
In dieser Diplomarbeit ist der mögliche Einsatz eines Blockheizkraftwerkes für die Energieversorgung eines Fünffamilienhaus bzw. Doppelfamilienhaus in Kraft-Wärme-Kopplung ausgearbeitet und auf dessen Wirtschaftlichkeit untersucht worden.
Ausgehend von einer ausführlichen Beschreibung der BHKW-Technik mit dem Aufzeigen der Primärenergie- und Emissionseinsparungen und den Zukunftschancen der BHKW-Technik dienten die Normwärmebedarfsberechnungen der beiden Wohnhäuser, die 1/4-h-Strommesswerte des Energie-Analyse-Systems MES 3D und die Strom- und Gasabrechnungen vom Energieversorger Oberhausen als Berechnungsgrundlage für den BHKW-Einsatz. Um den zeitlichen Verlauf von Strom- und Wärmebedarf genau untersuchen zu können, wurden gemäß VDI-Richtlinie 2067, Blatt 7 repräsentative Tagesganglinien erstellt. Zur Ermittlung der elektrischen Leistung des Überschussstroms bzw. des Zusatzstrombezuges ist das 1/4-h-Zeitintervall herangezogen worden. Für die Bewertung der elektrischen Arbeit in diesen Zeiträumen reichte das 1-h-Zeitintervall aus.
Die Dimensionierung des BHKW erfolgte anhand der Tagesganglinien. Diese wurde thermisch mit 13 kW und elektrisch zu 6 kW ermittelt. Somit wurde das Aggregat von Dachs Senertec mit 12,5 kW therm. und 5,5 kW elektr. ausgewählt.
Die Wirtschaftlichkeitsberechnung erfolgte ausführlich auf der Grundlage der VDI-Richtlinie 2067, Blatt 1 und 7, wobei nach wärmeorientierte-, stromorientierte- und Hochtarif-Fahrweise unterschieden wurde.
Mit der angefertigten Kosten und Umweltanalyse liegt ein Konzept zur Primärenenergieeinsparung und Energiekostensenkung vor.
Im allgemeinen stellt die BHKW-Technik in Bezug auf Ressourcen- Umweltschonung eine echte Option für die Zukunft dar. Bisher war man davon ausgegangen, dass BHKW's nur in größeren Leistungsklassen wirtschaftlich laufen, aber in dieser Diplomarbeit zeigte sich, dass […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 8047
Valtwies, Rainer: Einsatz von kleinen Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau
Ökonomische-, energetische- und ökologische Analysen
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Fachhochschule Aachen, Diplomarbeit, 1997
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Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei Herrn Prof.-Ing. Belting und Herrn Prof. Dr.-Ing. Meliß
für ihre Ratschläge und Anregungen, für die sehr gute Betreuung, sowie für die Bereitstellung
der technischen Geräte und Informationen bedanken.
Ferner bedanke ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Genau, der mir bei dem Wärmbedarfs-
Programm hilfreich zur Seite stand.
Weiterhin bedanke ich mich bei all den anderen Personen, die mir mein Studium erst
ermöglicht haben, besonders meinen Eltern, Lehrern, Studienkollegen, Freunden, und nicht
zuletzt auch meiner Frau Kirsten.
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung
1
II. Objektvorstellung
3
III.
BHKW-Technik
4
1.
Entwicklung
der
BHKW-Technik
4
2.
Grundlagen
der
BHKW-Technik
5
2.1.
Begriffsdefinition
5
2.2.
Verbrennungsmotoren
6
2.2.1.
Gas-Ottomotor
6
2.2.2.
Dieselmotor
8
2.2.3.
Diesel-Gasmotor
9
2.2.4. Vor- und Nachteile der Verbrennungsmotoren
9
2.2.4.1.
Gasmotor
9
2.2.4.2.
Dieselmotor
10
2.3.
Brennstoffe
10
2.3.1.
Brennstoffe
für
Gasmotoren
10
2.3.2.
Flüssige
Brennstoffe
für
Dieselmotoren
10
2.4.
Stromerzeugung
11
2.4.1.
Der
Synchrongenerator 11
2.4.2.
Der
Asynchrongenerator
11
2.4.3.
Schutzeinrichtungen
12
2.5.
Wärmeübertragung
12
2.5.1.
Kühlwasserwärmetauscher
12
2.5.2.
Abgaswärmetauscher
13
2.5.3.
Abhitzekessel
13
2.6.
Spitzenkessel
14
2.7.
Abgasanlage
14
2.8.
Steuer-
und
Regeleinrichtung
15
2.8.1.
Modulleitsystem 15
2.8.2.
Zentralleitsystem
15
2.9.
Wärmespeicher
16
2.10. Elektrische Einbindung an das öffentliche Netz
17
2.11. Typische Einsatzgebiete von BHKW's
17
IV.
Energie-
und
Emissionsbilanzen
18
1.
Einleitung
18
2.
Energieverbrauch
und
Umweltbelastung
19
3.
Primärenergieeinsparung
durch
BHKW-Technik
21
4. Vorschriften zur Reinhaltung der Umwelt
22
4.1.
Das
BundesImmissionsSchutzGesetz
(BImSchG)
22
4.2. Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA-Lärm)
24
4.2.1.
Schallschutzmaßnahmen
25
4.3. Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft)
25
5. Maßnahmen zur Schadstoff-Emissionsminderung
27
5.1.
Allgemein
27
5.2.
Abgareinigungssysteme
mit
Katalysator
28
5.2.1.
Lambda-1-Betrieb
mit
Drei-Wege-Katalysatoren
28
5.2.2. Lambda >1 Betrieb mit NH
3
-Einsatz und Oxidationskataly 30
5.2.3.
Abgasnachbehandlung
bei
Dieselmotoren
31
5.3.
Einsatz
eines
Magermischmotors 32
5.4.
Resümee
32
V. Gebäudewärmebedarf
33
1.
Normwärmebedarf
nach
DIN
4701 33
1.1.
Transmissionswärmebedarf
33
1.2.
Lüftungswärmebedarf
34
2.
Berechnung
des
Gebäudewärmebedarfs
35
VI.
Bilanzierung
des
Strombedarfs 37
1.
Einführung
37
2.
Erfassung
des
Strombedarfs 37
2.1.
Beschreibung
des
MES-3D-Gerates
37
2.2.
Auswertung
der
Messergebnisse
38
2.2.1.
Typischer
Stromverbrauch
einer
Woche
40
2.3.
Stromverbrauch
44
VII.
Kleinst-
Motorheizkraft 45
1.
Das
Senertec-Sachs
BHKW 45
2. Erfahrungen und Ergebnisse des Feldversuchstestes in Schleswig-Holstein
45
VIII.
Planungsdaten
46
1.
Auslegung
des
BHKW
46
2. Zeitlicher Verlauf von Wärme- und Strombedarf
46
IX.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
57
1. Allgemeines
57
1.1. Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit eines BHKW`s
57
2.
Grundlagen
der
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
58
2.1.
Methodik
58
2.2.
Statischer
Rechensatz
59
2.3.
Dynamischer
Rechensatz
59
2.4.
Annuitätenmodell
59
2.5.
Jahreskosten
einer
BHKW-Anlage
59
2.5.1.
Kapitalgebundenen
Kosten
60
2.5.2.
Verbrauchsgebundenen
Kosten 60
2.5.3.
Betriebsgebundenen
Kosten
60
2.5.4.
Wärme-
und
Stromgutschrift
60
3. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (wärmeorientiert) 62
3.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
62
3.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
62
3.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
62
3.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 63
3.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
63
3.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
63
3.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 64
3.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
65
3.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
65
3.5.2.
Personalkosten
(PK)
65
3.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
65
3.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
65
3.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
66
3.9.
Wert
der
Eigenstromgestehung
(WDESZ)
66
3.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
66
3.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
) 66
3.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
67
3.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
67
3.14.
Amortisationszeit 67
4. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (stromorientiert)
68
4.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
68
4.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
68
4.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
68
4.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 69
4.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
69
4.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
69
4.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 70
4.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
71
4.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
71
4.5.2.
Personalkosten
(PK)
71
4.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
71
4.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
71
4.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
72
4.9.
Wert
der
Eigenstromgestehung
(WDESZ)
72
4.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
72
4.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
) 72
4.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
73
4.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
73
4.14.
Amortisationszeit 73
5. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Fünffamilienhauses (HT-Fahrweise)
74
5.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
74
5.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
74
5.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
74
5.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 75
5.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
75
5.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
75
5.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 76
5.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
77
5.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
77
5.5.2.
Personalkosten
(PK)
77
5.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
77
5.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
77
5.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
78
5.9.
Wert
der
Eigenstromgestehung
(WDESZ)
78
5.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
78
5.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
) 78
5.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
79
5.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
79
5.14.
Amortisationszeit 79
6. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (wärmeorientiert) 80
6.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
80
6.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
80
6.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
80
6.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 81
6.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
81
6.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
81
6.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 82
6.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
83
6.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
83
6.5.2.
Personalkosten
(PK)
83
6.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
83
6.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
83
6.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
84
6.9.
Wert
der
Eigenstromgestehung
(WDESZ)
84
6.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
84
6.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
) 84
6.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
85
6.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
85
6.14.
Amortisationszeit 85
7. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (stromorientiert)
86
7.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
86
7.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
86
7.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
86
7.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 87
7.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
87
7.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
87
7.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 88
7.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
89
7.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
89
7.5.2.
Personalkosten
(PK)
89
7.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
89
7.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
89
7.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
90
7.9.
Wert
der
Eigenstromgestehung
(WDESZ)
90
7.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
90
7.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
) 90
7.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
91
7.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
91
7.14.
Amortisationszeit 91
8. Wirtschaftlichkeitsberechnung des Doppelfamilienhauses (HT-Fahrweise)
92
8.1. Kosten für konventionelle Energiebereitstellung
92
8.1.1.
Kosten
für
Wärmebereitstellung
92
8.1.2.
Kosten
für
Vollstrombezug
92
8.1.3. Berechnung der spez. Stromgestehungskosten (spez SGK) 93
8.2. Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten (KGK)
93
8.3.
Berechnung
der
Annuität
(An)
93
8.4. Berechnung der jährlichen Verbrauchsgebundenen Kosten (VGK) 94
8.5. Berechnung der jährlichen Betriebsgebundenen Kosten (BGK)
95
8.5.1.
Instandhaltungskosten
(IK)
95
8.5.2.
Personalkosten
(PK)
95
8.6.
Kosten
für
Zusatzstrombezug
(ZSK)
95
8.7. Berechnung der Überschussstromeinspeisung (USE)
95
8.8.
Berechnung
der
Wärmegutschrift
(WG)
96
8.9. Wert der Eigenstromgestehung (WDESZ)
96
8.10.
Stromgestehungskosten
(SGK
BHKW
)
96
8.11. Spez. Stromgestehungskosten des BHKW's (spez. SGK
BHKW
)
96
8.12. Gesamtkosten der BHKW-Anlage (GK
BHKW
)
97
8.13.
Einsparung
pro
Jahr
(EPJ)
97
8.14.
Amortisationszeit
97
9.
Sensitivitätsanalyse
98
9.1.
Investitionskosten
98
9.2.
Wartungskosten
98
9.3.
Brennstoffkosten
98
9.4.
Strompreis
98
9.5.
Stromvergütung
98
9.6.
Ergebnisse
der
Sensitivitätsanalyse
99
10.
Diskussion
der
Ergebnisse 104
X.
Umweltbilanz
107
1.
Primärenergieverbrauch
107
1.1. Primärenergieverbrauch bei konventioneller Energiebereitstellung 107
1.2. Primärenergieverbrauch bei der BHKW-Anlage
107
1.3.
Vergleich
des
Primärenergieverbrauchs
108
2.
Emissionen
108
2.1. Emissionssituation beim Kondensationskraftw. und der Kesselanlage 108
2.2.
Emissionen
der
BHKW-Anlage
109
2.3.
Emissionsvergleich
109
XI. Zusammenfassung
112
XII.
Literaturverzeichnis
113
XIII.
Verzeichnis
der
Bilder
114
XIV.
Tabellen-
und
Diagrammverzeichnis 117
XV.
Anhang
118
Objektvorstellung
1
1 Einleitung
In einem Industriestaat, wie die Bundesrepublik Deutschland, ist eine innovative Energie-
wirtschaft (d.h. rationelle Energienutzung ) für eine positive wirtschaftliche Entwicklung von
großer Bedeutung. Ziel der Energiepolitik sollte eine sichere, ausreichende, preiswerte und
umweltfreundliche Energieversorgung der Endabnehmer sein.
Daneben hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass die begrenzte Verfügbarkeit fossiler
Energieträger und der Kernbrennstoffe sowie der weltweit wachsende Energie-
bedarf uns dazu zwingen, mit dem Wirtschaftsgut ,,Energie" noch sparsamer umzugehen.
1 9 6 0
1 9 7 0
1 9 8 0
1 9 9 0
2 0 0 0
2 0 1 0
2 0 2 0
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
M rd . t S K E / a
Bild 1.1:Weltweite Energienachfrage nach einer logischen Funktion extrapoliert dargestellt
In vielen Bereichen der Energieanwendung konnten bereits beachtliche Einsparungen durch die
Forschung und die Modernisierung von energiesparenden Technologien, wie z.B.
Wärmerückgewinnungssysteme, Abwärmenutzung, sowie durch einen vermehrten
Fernwärmeausbau erreicht werden. Doch auch weiterhin bietet sich hier ein beachtliches
Potential zur Schonung der Reserven.
Neben dem ökonomischen Aspekt, hat die ökologische Komponente der Energieeinsparung
zunehmendes Gewicht gewonnen. Ein geringerer Energieverbrauch bedeutet gleichzeitig
weniger Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen.
Objektvorstellung
2
Insbesondere die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) müssen in den nächsten
Jahrzehnten drastisch reduziert werden, damit einer drohenden Klimaveränderung der Erde
entgegen gewirkt werden kann.
In diesem Zusammenhang gewinnt die dezentrale Energieerzeugung auf der Basis der Kraft-
Wärme-Kopplung (KWK), hier im speziellen Blockheizkraftwerk(BHKW), zunehmend an
Bedeutung. Hierbei wird die nutzbare Wärme (Abgas, Kühlwasser, Schmieröl) zur Wärme-
oder auch zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt, und so der Gesamtwirkungsgrad erhöht.
Dadurch können die Energiekosten und die Schadstoffemissionen pro erzeugter Energieeinheit
beträchtlich gesenkt werden. Auf Grund dieser Vorteile sind allein in Deutschland heute schon
BHKW-Anlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von über 4,6 GW installiert
Je nach Erfordernis kann sich die Planung eines BHKW's an dem Wärme- oder Strombedarf
orientieren, wobei die Auslegung immer eine wirtschaftliche Abgabe von Kraft und Wärme bei
größtmöglicher Eigennutzung in den Vordergrund stellen sollte.
In dieser Diplomarbeit wird unter diesen Gesichtspunkten, der mögliche Einsatz eines Kleinst-
BHKW's für die Energieversorgung eines Fünffamilienhauses und eines Doppelfamilienhauses
auf energetische, wirtschaftliche und ökologische Art hin, untersucht.
BHKW-Technik
3
2 Aufgaben- und Objektvorstellung
Es galt zwei Mehrfamilienhäuser hinsichtlich der Energiesituation zu untersuchen, um
damit eine energetische, ökonomische und ökologische Analyse eines Kleinst-BHKW im
Wohnungsbau daran anzuschließen.
Das Fünffamilienhaus liegt in einem ruhigen Wohngebiet in Oberhausen-Sterkrade. Es
umfasst 321 qm Wohnfläche bei 5 Wohneinheiten. Es wurde vor ungefähr 30 Jahren
gebaut, dementsprechend war es zu dieser Zeit nicht so wichtig, Wohnhäuser gut zu
isolieren. Dieses spiegelt sich im spezifischen Wärmebedarf von 81 W/m^2 wieder
(Erlaubt sind nach neuer Wärmeschutzverordnung 1995 30 W/m^2).
Das Doppelfamilienhaus liegt auch in Oberhausen. Es beinhaltet 310 qm Wohnfläche bei
2 Wohneinheiten, wobei der niedrige Stromverbrauch daraus resultiert, dass in der einen
Wohnung nur eine Person wohnt. In diesem Wohnhaus beträgt der spezifische
Wärmebedarf 88 W/m^2. (Nähere Angaben über Größe und Anzahl der Räume siehe im
Anhang).
BHKW-Technik
4
3 BHKW-Technik
3.1 Entwicklung der BHKW-Technik
Seit über 100 Jahren, also bereits seit Beginn des elektrischen Stromes, wird in Deutschland die
Technik der Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt. Vor dem ersten Weltkrieg setzte man diese
Technik bei einigen städtischen E-Werken ein. Die entstehende Abwärme, der zur
Stromerzeugung genutzten Dieselmotoren, diente zu Heizzwecken.
Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Strom mehr und mehr von immer größer werdenden
Kohlekondensationskraftwerken erzeugt, wobei das günstige Öl einen großen Teil des
Heizenergiebedarfs deckte. Deshalb vergaß man die KWK-Technologie allmählich.
Erst im Jahre 1976 wurde wieder eine KWK-Versuchsanlage in Heidenheim aufgebaut und
betrieben. Dabei wurden die alten Ölkessel durch diese ,,neue" Technik ersetzt. Das Neue bei
diesem Konzept war, das nicht nur alle technischen Möglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung
ausgenutzt wurden, sondern es war die Einbindung in das öffentliche Netz gelungen.
Im Moment erfreut sich diese Technologie wachsender Beliebtheit, da die effektive Ausnutzung
der eingesetzten Primärenergie zu großer Wirtschaftlichkeit bei Verringerung der Emissionen
führt. Dieses verdeutlicht das unten dargestellte Diagramm (Bild 2.1). Bereits im Jahre 1995 war
insgesamt 1,45 GW an elektrische Gesamtleistung installiert.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1975
1980
1985
1990
1995
MW
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Anzahl
elektr.Leistung
Anzahl
Bild 2.1: Anlagenzahl und installierte Leistung
BHKW-Technik
5
3.2 Grundlagen der BHKW-Technik
3.2.1 Begriffsdefinition
Unter Blockheizkraftwerk versteht man eine mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff
betriebene Anlage, die unter Einsatz von Verbrennungsmaschinen bzw. Gasturbinen, mechanische
Energie und diese mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie umwandeln, wobei die
anfallende Motorkühlwasser- und Abgaswärme mit Hilfe von Wärmetauschern zu Heizzwecken
genutzt wird. Des Weiteren gehört zu einer BHKW-Anlage, ein Heizkessel, der die
Spitzenlastabdeckung wärmeseitig übernimmt, und falls nötig ein Wärmespeicher, um den
tageszeitlichen, unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarf zu überbrücken.
Die Vorteile eines BHKW liegen in der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, wobei
ein sehr hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird, in der relativ günstigen Emission, wenn
emissionsreduzierende Maßnahmen (z.B. Kat,..) angewandt werden. Wirtschaftlich kann man mit
dieser Art kostengünstiger Energie erzeugen, als bei der getrennten Energiebeschaffung, sofern
Strom- und Wärmebedarf gleichzeitig vorhanden sind.
In dieser Diplomarbeit werden ausschließlich Motorheizkraftwerke (MHKW), d.h. BHKW's mit
Verbrennungsmotoren behandelt.
Im unteren Bild 2.2 sieht man das prinzipielle Anschlussschema eines MHKW mit Spitzenkessel
und Wärmespeicher.
Bild 2.2: Anschlussschema eines MHKW
BHKW-Technik
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3.2.2 Verbrennungsmotoren
Als Verbrennungsmotor wird hier, die am weitesten verbreitete Art, der Hubkolbenmotor
bezeichnet, wie sie zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen und stationären Energieanlagen
dienen. Auf und Abwärtsbewegung sowie die Verbrennung des Brennstoffes in einem
geschlossenen Zylinder sind die wesentlichen Merkmale. Sie arbeiten entweder nach dem
Zweitakt- bzw. nach dem Viertaktprinzip.
Bei Saugmotoren wird die Verbrennungsluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch vom Motor selbst
(Viertaktmotor) angesaugt oder von einem Spülgebläse (Zweitakter) gefördert. Bei Motoren mit
Abgasturbolader wird dieser durch eine Abgasturbine angetrieben. Gestartet werden die
Verbrennungsmotoren mittels eines Anlassers, der von einer Elektrobatterie gespeist wird.
Folgende Motorsysteme kommen hierbei zum Einsatz:
-
Gas-Ottomotor
-
Dieselmotor
-
Diesel-Gasmotor
15%
11%
74%
Gasmotoren
Dieselmotoren
Diesel-Gasmotoren
Bild 2.3: Prozentuale Aufteilung der MHKW auf die installierte Gesamtleistung
BHKW-Technik
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3.2.2.1 Gas-Ottomotor
Der Gasmotor arbeitet thermodynamisch nach dem Otto-Prozess. Dieser besteht als Ideal- Prozess
aus zwei Isentropen und zwei Isochoren.(Siehe p-v- und t-s-Diagramm (Bild 2.4))
Bild 2.4: Otto-Prozess im p,v- und T,s- Diagramm
Beim Saughub (a->1) strömt brennbares Gas-Luft-Gemisch in den Zylinder, welches beim
Verdichtungshub (1->2) auf den maximalen Kompressionsdruck isentrop verdichtet wird. Es folgt
die Zündung des Gemisches durch den Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der
Zündkerze, d.h. durch eine ortsfeste, räumlich begrenzte Zündquelle und die explosionsartige
Verbrennung, bei der die Wärme q
Z
(v= konstant) zugeführt wird. (2->3): Diesen Vorgang nennt
man Gleichraumverbrennung. Beim folgenden Arbeitshub (3->4) entspannen sich die
Verbrennungsgase isentrop. Die Auspufföffnungen werden am Ende des Arbeitshubes frei, so
dass die Abgase aus dem Zylinder entweichen können und sich der Anfangsdruck wieder einstellt
(4->1). Die Wärme q
A
wird über den Auspuff mittels der Verbrennungsgase abgeführt. Der
Druckausgleich (4->1) erscheint im p,v-Diagramm als Isochore. Schließlich werden beim
Auspuffhub (1->a) die Restgase aus dem Zylinderraum herausgeschoben. Die Arbeitsfläche des
idealen Otto-Prozesses ist die vom Linienzug 1->2->3->4->1 eingeschlossene Fläche.
Um die Grenzwerte der TA-Luft einhalten zu können müssen Gasmotoren mit Drei-Wege-
Katalysatoren ausgerüstet werden, die eine Reduzierung der Schadstoffemissionen, wie Stickoxide
(NO
X
), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), bewirken. Für den
Betrieb mit Klärgas oder Deponiegas können Drei-Wege-Katalysatoren, wegen der in diesen
Gasen üblicherweise enthaltenen Anteile an Schwefel bzw. Chlorkohlenwasserstoff und Fluor,
nicht oder nur in Verbindung mit einer Gasreinigungsanlage eingesetzt werden.
Ausschlaggebend für den effizienten und umweltbewussten Betrieb des Motors ist die Regelung
des Brenngas-Luft-Gemisches, mit Hilfe einer Lambda-Regelung. Der Magergemisch-Motor
wurde entwickelt, um bei der Verwendung von Gasen, die die so genannten Katalysatorgifte wie
Schwefel, Fluor, Chlor und Arsen als Verunreinigungen mit sich führen, die Grenzwerte der TA-
Luft ohne den Einsatz von Katalysatoren einzuhalten. Hierbei erfolgt eine Erhöhung des
Luft/Brennstoffverhältnisses mit der Anpassung des Zündzeitpunktes und einer entsprechenden
Verringerung der Motorbelastung. Zur Optimierung ist zusätzlich eine Abstimmung des
Brennraumes und des Ladungsausgleiches erforderlich. Um unkontrollierte Selbstzündungen zu
verhindern, ist das zulässige Verdichtungsverhältnis des Gas-Luft-Gemisches durch den
Methangehalt des Gases festgelegt (Oktanzahl).
BHKW-Technik
8
Die in der MHKW-Technik eingesetzten Gasmotoren mischen das Brenngas und die
Verbrennungsluft mit Hilfe eines Gasmischers, der dem Motor vorgeschaltet ist. Somit erfolgt die
Gemischaufbereitung außerhalb des Motors (externe Gemischbildung). Die Leistungsregelung
geschieht durch Drosselung der Gas-Luftmenge. Im Teillastbetrieb verschlechtern sich die
Wirkungsgrade beim Gasmotor jedoch erheblich.
Der thermische Wirkungsgrad beim Otto-Prozess ist ausschließlich vom Verdichtungsverhältnis
des Motors abhängig. Er nimmt mit wachsendem Verdichtungsverhältnis zu. Bei Vollast werden
elektrische Wirkungsgrade von bis zu 32% erreicht
Bild 2.5 Wirkungsweise eines Viertakt-Ottomotors
3.2.2.2 Dieselmotoren
Die Dieselmotoren für den stationären Betrieb arbeiten mit Direkteinspritzung, d.h. der Brennstoff
wird wie bei Nutzfahrzeugen direkt in die hochverdichtete Luft der Brennkammer eingespritzt.
Der ideale Dieselprozess setzt sich aus einer Isobaren, zwei Isentropen und einer Isochoren
zusammen. (Siehe p,v- und T,s-Diagramm, Bild 2.6). Dieser Prozess wird auch
Gleichdruckprozeß genannt.
Es wird Luft aus der Umgebung angesaugt, die beim Verdichtungshub (1->2) auf 30 bis 60 bar
isentrop verdichtet wird. Das Verdichtungsverhältnis v
1
/v
2
wird so gewählt, dass die
Kompressionstemperatur (550°C bis 600°C) genügend hoch ist, um den eingespritzten Kraftstoff
sicher zu zünden. Noch während des Verbrennungsvorganges (2->3) wird weiter Kraftstoff
eingespritzt, wodurch sich dieser in Grenzen steuern lässt. Beim Idealprozess wird angenommen,
dass die Kraftstoffeinspritzung über den ersten Teil des Arbeitshubes so erfolgt, dass sie einer
Wärmezufuhr q
Z
bei konstantem Druck entspricht. Man nimmt also eine Gleichdruckverbrennung
an. Hieran schließt sich die isentrope Entspannung (3->4) an. Sobald die Auspufföffnungen frei
werden erfolgt der Druckausgleich nach außen (4->1). Dieser kann als isochore Wärmeabfuhr q
A
aufgefasst werden.
Der thermische Wirkungsgrad des Dieselprozesses nimmt mit dem Verdichtungsverhältnis zu und
ist lastabhängig. Die Leistung der Dieselmotoren wird über die eingespritzte Brennstoffmenge
geregelt. Dadurch ist eine gute Regelbarkeit gewährleistet. Es werden beim Dieselmotor hohe
Teillastwirkungsgrade erreicht. Dass der Dieselprozess, thermodynamisch betrachtet, gegenüber
dem bereits behandelten Ottoprozess der bessere Umwandlungsprozess ist, spiegelt sich besonders
im elektrischen Wirkungsgrad wieder. Er beträgt für ein MHKW ca. 42%. Dieser wird derzeit von
keinem anderen Kraftwerksprozess erreicht.
BHKW-Technik
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3.2.2.3 Diesel-Gasmotoren
Der Aufbau der Diesel-Gasmotoren (dem sog. Gaszündstrahlverfahren) ist zum größten Teil mit
den Dieselmotoren identisch, wobei zusätzlich eine Gaszufuhr zur Ansaugluft über einen Mischer
wie beim Gasmotor eingebaut wird. Thermodynamisch läuft die Energieumwandlung nach dem
Dieselprozess ab.
Die Zündung des Gas-Luft-Gemisches erfolgt durch Einspritzung einer geringen Menge Zündöles,
welches aus leichtem Heizöl besteht. Das Verdichtungsverhältnis der Diesel-Gasmotoren liegt
etwas unter dem Verdichtungsverhältnis der Dieselmotoren. Diese Aggregate können ohne
Unterbrechung von Diesel-Gasbetrieb mit 5% bis 10% Zündölanteil auf reinen Dieselbetrieb
umgeschaltet werden. Der Motor wird somit als Zweistoffmotor bezeichnet. Der Wirkungsgrad
liegt zwischen Gas- und Ottomotor.
Da ein reiner Dieselbetrieb möglich ist, kann mit dem Gasversorgungsunternehmen ein
abschaltbarer Gaslieferungsvertrag zu günstigen Konditionen abgeschlossen werden. Die
Investitionen sind nicht sehr hoch, da auch unter anderem entsprechende Brennstofftanks
notwendig sind. Am Markt sind z.Zt. Anlagen dieses Typs ab 100kW
el
Leistung verfügbar.
Neuerdings werden auch kleinere Anlagen (< 100 KW ) angeboten, um auch kleineren Betreibern
einen günstigeren Erdgasbezugsvertrag zu ermöglichen.
Bild 2.6: Dieselprozess im p,v- und T,s-Diagramm
3.2.2.4 Vor- und Nachteile der Verbrennungsmotoren
3.2.2.4.1 Gasmotoren
- hohe Verfügbarkeit durch Zündkerzenwechsel beeinträchtigt
- Betriebssicherheit durch hohe Sicherheitsauflagen erreichbar
- geringe Korrosionsgefahr der Abgasanlage, da niedriger Schwefelanteil
bei reinem Erdgasbetrieb
- elektrischer Wirkungsgrad bis 32%
- wartungs- und bedienungsaufwendig, insbesondere bei Motoren
mit teuren Drei-Wege-Katalysatoren
BHKW-Technik
10
- keine Verschmutzung des Abgaswärmeüberträgers, da kaum
Rußpartikel im Abgas, aber Schmierölrückstände vom Motor
- fehlender Teillastbetrieb kann durch modulierenden Ein-/Aus- Betrieb
annähernd ausgeglichen werden, daher aber hohe Investitionskosten und
Wartungskosten für die Mehr-Modul-Anlage
3.2.2.4.2 Dieselmotoren
- Wartungs- und Bedienungsfreundlichkeit
-
hohe
Verfügbarkeit
- lange Wartungsintervalle ( keine Zündkerzen, vollautomatisches Motor-
ölwechsel- und Nachfüllsystem )
-
hoher
Teillastwirkungsgrad
- 1 Modul-Betrieb möglich, daher geringe Investitionskosten
- wirklastoptimierte Fahrweise möglich
- keine leitungsgebundene Infrastruktur für den Brennstoff
erforderlich, damit entfällt teure Leistungspreisentwicklung
- relativ einfache Brennstofflagerung
Der Leistungsbereich der oben genannten Verbrennungsmotoren reicht von etwa 5 bis zu
mehreren 1000 kW
el
.
3.2.3 Brennstoffe
2.3.1. Brennstoffe für Gasmotoren
-
Erdgas
- Flüssiggas (Propan, Butan)
-
Klärgas
-
Deponiegas
- andere Biogase sowie Schwelgase (Stadt-, Kokerei-, Gicht-
oder
Grubengase)
3.2.3.1 Flüssige Brennstoffe für Dieselmotoren
- extra leichtes Heizöl für schnell laufende Dieselmotoren
und Diesel-Gasmotoren (> 1000 1/min)
- Mischöl für mittelschnell laufende Motoren zwischen 600 und 1000 1/min
- schweres Heizöl und andere Rückstandsöle für langsam laufende Motoren
BHKW-Technik
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3.2.4 Stromerzeugung
Es werden in der BHKW-Technik zwei verschiedene Arten, um die mechanische Energie des
Motors in elektrische Energie umzuwandeln, angewendet, um den Strom zu erzeugen, den
Asynchron- und Synchrongenerator. Beide sind fest oder über einer Kupplung mit dem
Antriebsmotor verbunden. Die Klemmenspannung beträgt bei den verwendeten Generatoren
400/230 Volt und sie werden mit der Frequenz des Netzes betrieben. Die erzeugte elektrische
Energie wird zur Abdeckung des Eigenbedarfs vom Betreiber und ggf. zur
Überschussstromeinspeisung genutzt.
3.2.4.1 Der Synchrongenerator
Dieser Generatortyp ermöglicht den Betrieb eines Inselnetzes sowie die häufigere Anwendung als
Notstrom- und Netzersatzbetrieb. Beim Netzparallelbetrieb muss die Spannung, die Frequenz und
die Phasenlage, genau mit dem Netz übereinstimmen. Dieses erfolgt mit einem vollautomatischen
Synchronisierungsgerät.
Die Leistungsabgabe hängt direkt mit dem Voreilwinkel des Läufers gegenüber dem
netzparallelen Drehfeld des Stators (Ankerwicklung) zusammen. Der Generator läuft mit der
Synchrondrehzahl des Netzes starr und der Antriebsmotor bleibt an diese Drehzahl gebunden.
In der Wicklung des Läufers wird mit Hilfe einer Gleichstromquelle ein eigenes Feld erzeugt und
induziert im Stator die erforderliche Betriebsspannung, ohne dabei Blindstrom aus dem
öffentlichen Netz zu beziehen. Der benötigte Gleichstrom wird meist der gekoppelten
Erregermaschine entnommen. Beim Start wird das Aggregat bis auf Synchrondrehzahl
hochgefahren, wobei der Läufer erregt und die Betriebsspannung im Stator erreicht wird. Sobald
der Stator zum Netz geschaltet ist und die Automatik den Synchronisierungsvorgang
abgeschlossen hat, läuft der Motor auf Nennlast.
Wie schon erwähnt, benötigt der Synchrongenerator keinen Blindstrom aus dem Netz. Er kann
aber je nach Erregung Blindstrom abgeben und somit den Blindstrombedarf weiterer
Asynchrongeneratoren decken.
Im BHKW-Einsatz kommen schleifringlose Generatoren zum Einsatz, wodurch ein, von der
elektrischen Seite her, wartungsfreies Bauteil zur Verfügung steht.
Generatoren müssen auf Grund der entstehenden Verlustwärme gekühlt werden. Im Normalfall
geschieht dies durch Luft, die durch den Generator geblasen wird. Es können aber auch
wassergekühlte Generatoren installiert werden, die eine Steigerung des thermischen
Nutzungsgrades von ca. 4% ermöglichen, wenn Niedertemperaturwärme von ca. 30°C genutzt
werden kann.
3.2.4.2 Der Asynchrongenerator
Asynchrongeneratoren sind robuste Kurzschlussläufer in ähnlicher Bauweise und Schaltung wie
Synchrongeneratoren.
BHKW-Technik
12
Der Asynchrongenerator benötigt ein Drehstromnetz, das die Netzfrequenz vorgibt und den für die
Erregung erforderlichen Blindstrom liefert. Sie sind ohne Zusatzeinrichtungen, wie z.B.
Kondensatoren, nur für den Netzparallelbetrieb geeignet. Dieser Generatortyp wird mit
übersynchroner Drehzahl angetrieben (z.B. 1530 statt 1500 1/min), um einen Schlupf gegenüber
dem Drehfeld des Stators zu haben. Die Leistungsabgabe steigert sich mit dem
Überdrehzahlschlupf.
Das Aggregat mit Asynchrongenerator wird ohne Last hochgefahren und bei Erreichen der
Synchrondrehzahl wird das Feld an das Netz zugeschaltet. Dabei entsteht ein erheblicher
Stromstoß (Einschaltrush), der durch den Aufbau der Magnetisierung von Stator und Läufer
verursacht wird. Dieser so genannte Rush-Strom hält für ca. 0,03 Sekunden an und kann bei
Synchrondrehzahl einen Wert bis zum Zwölffachen des Nennstromes erreichen. Daher sollten
Generatoren mit Einschaltwiderständen ausgerüstet sein, die den Rush-Strom auf ungefähr den
dreifachen Wert des Nennstromes begrenzen. Ein Notstrombetrieb ist mit diesem Generator nicht
möglich (fehlender Blindstrom ).
Bei Anlagen ab ca. 250 kW
el
sind die Kosten gegenüber Synchrongeneratoren nur noch
unwesentlich geringer. Wegen der höheren Fertigungsstückzahlen sind Synchrongeneratoren,
obwohl technisch aufwendiger, den Asynchrongeneratoren bezüglich der Investitionen heute
gleichzusetzen.
3.2.4.3 Schutzeinrichtungen
Wie bei allen anderen elektrischen und Netzteilen müssen auch hier Schutzeinrichtungen gegen
Überlast und Kurzschluss vorgesehen werden. Im Falle eines Kurzschlusses müssen die
installierten Schutzeinrichtungen wie Sicherungen, Schütze und Leistungsschalter so
dimensioniert sein, dass sie den Generator abschalten können.
Folgende Schutzeinrichtungen können hierfür vorgesehen werden:
-
Überstromschutz
-
Kurzschlussschutz
-
Rückleistungsschutz
-
Differentialschutz
- Über- / Unterspannungsschutz
- Wicklungstemperaturfühler mit unterschiedlicher Ansprechtemperatur
- Ständer- und Läufer-Erdschluss
- Über- und Unterfrequenzschutz
3.2.5 Wärmeübertragung
In KWK-Anlagen können die Abwärmeströme mittels Wärmeüberträger in den Nutzwärmekreis
eingekoppelt werden. Dadurch sind Nutzungsgrade bis zu 90% möglich. Eingesetzt werden
Kühlwasserwärmetauscher und nachgeschaltete Abgaswärmetauscher, um möglichst eine große
Wärmenutzung zu bekommen. Sie werden in der Regel in Reihe in die Heizungsanlage
eingebunden.
BHKW-Technik
13
3.2.5.1 Kühlwasserwärmetauscher
Eingesetzt werden Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher, die als Standartbauteile erhältlich
sind. Rohrbündelwärmetauscher haben einen geringen Druckverlust, wo hingegen
Plattenwärmetauscher ein geringeres Bauvolumen aufweisen. Die bei schwankenden
Volumenströmen und Temperaturen unempfindlichen Plattenwärmetauscher sind aus
Edelstahlplatten zusammen geschraubt, die leicht zu reinigen sind. Durch Hinzufügen von
weiteren Platten können sie leistungsgerecht angepasst werden. Die genannten Wärmetauscher
werden als Gegenströmer eingesetzt. Die maximale Vorlauftemperatur beträgt in der Regel bis zu
95°C, die zu Heizzwecke, zur Brauchwassererwärmung und in anderen Bereichen Verwendung
findet.
Um höhere Temperaturen von 115 bis 130°C für Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, kann
die so genannte ,,Heißkühlung" eingesetzt werden. Jedoch darf die Rücklauftemperatur nicht
überschritten werden, da sonst eine ausreichende Kühlung des Motors nicht mehr gewährleistet
wird. Dies wird durch geeignete Regelelemente (Rücklaufbegrenzungsthermostat, Zusatzkühlung)
erreicht. Um Wärmestaus nach Abschalten des Motors zu verhindern, ist ein Nachlauf der
Kühlwasser- und Ölpumpen erforderlich.
3.2.5.2 Abgaswärmetauscher
Um die Temperaturen des Abgases von bis zu 650°C zu nutzen, werden Rohrbündel-
Wärmetauscher eingesetzt. Sie werden als ein oder mehrzügige Bauteile in geneigt, liegender oder
stehender Anordnung installiert.
auf Grund der möglichen Verschmutzung des Wärmeüberträgers muss bei der Auslegung eine
gewisse Leistungsreserve berücksichtigt werden. Die Reinigung kann chemisch oder mechanisch
erfolgen. Bei Gefahr der Kondensatbildung (Korrosionsprobleme) werden die
Rohrbündelwärmetauscher aus Edelstahl hergestellt.
Gerade Abgaswärmetauscher von Dieselmotoren verschmutzen besonders schnell, da sie
Rußpartikel im Abgas führen. Hier wurden eigens vollautomatische selbstreinigende
Abgaswärmetauscher entwickelt, so dass der ursprüngliche Nachteil gegenüber Gasmotoren nicht
mehr besteht. Gleichzeitig werden bei diesem System durch die Funktion des Rußabbrandfilters
Schwefeldioxid und Stickoxide an die Rußpartikel gebunden.
3.2.5.3 Abhitzekessel
Der Abhitzekessel kann als reiner Wärmetauscher angesehen werden, wenn ausschließlich die
Abgaswärme zurückgewonnen wird. Die hohen Temperaturen von 450 bis 650°C können hier zur
Dampferzeugung genutzt werden. Hierbei beträgt der maximale Druck bei Verbrennungsmotoren
ca. 5 bar.
Der in den Abgasen enthaltene Restsauerstoff kann als Verbrennungsluft für einen zusätzlichen
Brenner im Abhitzekessel verwendet werden. Dieser Restsauerstoffanteil beträgt bei Gas-
Magermotoren meistens noch 5 bis 8%, bei Dieselmotoren hingegen noch ca. 12%. Damit lassen
sich bei Verbrennungsmotoren rund 0,2 t/h Dampf pro MW elektrischer Leistung erzeugen.
Der Preis eines Abhitzekessels mit zusätzlicher Feuerung beträgt 200 bis 500 DM/kW thermischer
Leistung.
BHKW-Technik
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3.2.6 Spitzenkessel
Für eine Motorenanlage sind wesentlich höhere Investitionen im Vergleich zur konventionellen
Kesselanlage erforderlich. In der Mehrzahl der Anwendungen ist es daher wirtschaftlicher, den
Spitzenwärmebedarf mit einem Heizkessel abzudecken. Da möglichst hohe jährliche
Betriebsstunden der BHKW-Aggregate anzustreben sind, wird die Laufzeit des Spitzenkessels
entsprechend geringer. Die Kesselanlage muss in vielen Anwendungsfällen bei einer Störung oder
Wartung der BHKW-Anlage den gesamten Wärmebedarf abdecken. Wird eine vorhandene
Heizungsanlage mit einem BHKW nachgerüstet, so übernimmt der vorhandene Kessel die
Funktion des Spitzenkessels, wobei dieser aber zur Verbesserung des Jahresnutzungsgrades mit
einem mehrstufigen Brenner versehen sein sollte. Die Spitzenlastabdeckung kann bei größeren
Anlagen auf mehrere Kessel unterschiedlicher Leistung verteilt werden.
Das BHKW sollte so dimensioniert sein, dass bei einer Auslegung von 20 bis 60% der maximalen
Wärmeleistung je nach Bedarfsstruktur 70 bis 90% der Jahreswärmearbeit abgedeckt werden
können.
Bei Kenntnis der Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs kann die Auslegung der Mehr-Modul-
Anlage wie in Bild 2.6 graphisch erfolgen (Bei Gasmotoren zwingend erforderlich, weil kein
Teillastbetrieb möglich. (bei Heizölmotoren kann ein Modul genügen)
Bild 2.7: Jahresdauerlinie der Wärmearbeit
3.2.7 Abgasanlage
Um Schadstoffemissionswerte der TA-Luft einzuhalten, wird dem Verbrennungsmotor z.B. ein
Drei-Wege-Katalysator, ein Selektiv-Katalysator oder ein Rußfilter nachgeschaltet.
Durch den Einbau von Absorptions- oder kombinierten Absorptionsreflexionsschalldämpfern in
der Abgasführung können die Grenzwerte der TA-Lärm erreicht werden. Bei
BHKW-Technik
15
Mehrmotorenanlagen besteht die Möglichkeit einen Sammelschalldämpfer zu installieren, um eine
höhere Geräuschdämpfung zu bekommen.
3.2.8 Steuer- und Regeleinrichtung
Die kleineren BHKW-Anlagen sind im allgemeinen in Niederspannung 400/230 V ausgelegt. Die
erforderlichen Schalt-, Steuer-, und Messgeräte werden gemeinsam in einem Schaltschrank
untergebracht. Eine elektronische Überwachung und Regelung der BHKW ermöglicht einen
vollautomatischen Betrieb. Neben der Steuerung und Betriebsüberwachung der einzelnen
Aggregate übernimmt die Leittechnik die Aufgabe der Leistungsregelung des BHKW. Sie
koordiniert den Ablauf und Einsatz der Einzelelemente und ist für den wirtschaftlichen Betrieb
von großer Bedeutung.
Aufgaben der Leittechnik:
- Startvoraussetzungen abfragen und den Start der Aggregate einleiten
- Störungen erkennen und ggf. betroffene Aggregate geordnet außer
Betrieb
setzen
- Signale aufnehmen und so verarbeiten, dass sich ein möglichst
wirtschaftlicher Betrieb einstellt
- Betriebsstunden der Einzelaggregate untereinander ausgleichen,
Starthäufigkeit gering halten und Laufzeiten ausdehnen
Die Aufgaben werden aus Gründen der Betriebssicherheit auf das Modul- und Zentralleitsystem
verteilt.
2.8.1 Modulleitsystem
Das Modulleitsystem ist jeweils für ein Aggregat (Modul) zuständig. Im Schaltschrank sind
Geräte und Überwachungsfunktionen wie Strom-, Leistungs- und Temperaturmessgerät,
Betriebsstundenzähler, Motortemperaturbegrenzer etc. untergebracht. Die Daten werden über
Messwertschreiber und/oder Drucker festgehalten. Der Aufgabenbereich beinhaltet die
Durchführung von Start und Abstellung der Aggregate, Betriebsüberwachung und lastabhängige
Drehzahlregelung, sowie die Lambda-Regelung bei Drei-Wege-Katalysator- oder Mager-
Gemischmotoreinsatz.
2.8.2 Zentralleitsystem
Das Zentralleitsystem ist für die Überwachung, Regelung und Steuerung der Gesamtanlage
verantwortlich. Zu den Aufgaben gehören u.a. die Erfassung und Verarbeitung des Wärmbedarfs-
und elektrischen Leistungskriterien (Temperaturregelung, Nachtabsenkung. Stromvorrang-,
Spitzenstrom- und Notstrombetrieb), Anwahl und Synchronisieren der Aggregate, Ansteuerung
der Spitzenkessel, Speicher oder Notkühler.
BHKW-Technik
16
Bei dem vollautomatischen Betrieb der BHKW-Anlage ist eine werktägige Begehung und eine
Störmeldeeinrichtung zu einer Zentrale in der Regel ausreichend. Großanlagen mit mehreren
Modulen werden mit einer Fernüberwachung ausgerüstet, um einen auftretenden Fehler früh zu
erkennen, den Schaden möglichst gering zu halten und somit den Betrieb nicht oder nur kurzzeitig
unterbrechen zu müssen.
3.2.9 Wärmespeicher
Das BHKW erreicht den besten Gesamtwirkungsgrad, wenn der Strom- und Wärmebedarf parallel
verläuft, d.h. wenn die erzeugte Wärme auch genutzt werden kann. Bei tageszeitlichen
unterschiedlichem Strom- und Wärmebedarf kann die Überschusswärme in einen
Kurzzeitspeicher eingespeist und bei Bedarf wieder entnommen werden. Ein ständiges Takten der
jeweiligen Module wird verhindert, um eine verschleißärmere Fahrweise zu ermöglichen. Der
Speicher, der in der Regel Wasser als ,,Wärmeübertrager" benutzt, ist parallel zu den
Erzeugungseinheiten geschaltet.
In der BHKW-Technik werden überwiegend Verdrängungsspeicher in Zylinderform eingesetzt,
die während des Betriebes ständig mit Heizungswasser gefüllt sind. Mit Schwimmbädern ist ein
speicherähnlicher Betrieb, der so genannte Pufferbetrieb, möglich. Anfallende Überschusswärme
geht nicht verloren, sondern wird in das Beckenwasser eingespeist und erhöht dessen Temperatur
nur unwesentlich.
Die Dimensionierung erfolgt in Abhängigkeit der thermischen Leistung des BHKW und der
Ladezeit unter Berücksichtigung der nutzbaren Temperaturdifferenz des Speicherinhalts.
V
=
Q * t
c * p * ( v
- v )
V
R
Hierbei
bedeuten:
V
=
Speichervolumen
Q
=
Überschusswärmeleistung
t =
Ladezeit
c =
Wärmekapazität
des
Wärmeträgers
(c
Wasser
=
1,16 Wh/kg*K )
p =
Dichte
des
Wärmeträgers
v
V
=
Vorlauftemperatur des Wärmeträgers
v
R
=
Rücklauftemperatur des Wärmeträgers
Die Warmwasserspeicherkapazität beträgt somit 17,4 kWh/ m
3
ohne Verluste bei einer
Temperaturdifferenz von 15 K. Der Preis eines solchen Speichers liegt bei ungefähr 800
DM/ m
3
.
Steht kein Wärmespeicher zur Verfügung, oder ist deren Speicherkapazität erschöpft, übernimmt
ein installierter ,,Notkühler" die erforderliche Kühlung des Motors und verhindert eine
Überhitzung des Aggregats. Somit muss die gesamte Kühlleistung des Motors über den Notkühler
BHKW-Technik
17
abgedeckt werden können. Dieser Luft-Wasser-Wärmetauscher ist mit einem Ventilator
ausgerüstet, der die notwendige Luft durch den Wärmetauscher ,,bläst".
3.2.10 Elektrische Einbindung an das öffentliche Netz
Die Einbindung an das elektrische Netz erfolgt normalerweise an das vorhandene
Niederspannungsnetz auf der 400/230 -Volt -Ebene , nur bei größeren Anlagen über 1MWel
erfolgt sie unter anderen an das Mittelspannungsnetz. Die Verlegung einer neuen Leitung direkt
zum nächsten Knotenpunkt oder die Installation einer eigenen Trafostation ist nur in wenigen
Fällen notwendig, da die vorhandenen Leitungskapazitäten und Transformatoren in der Regel von
der Größe her ausreichen. Hierfür sind alle notwendigen Netzüberwachungs- und
Schutzeinrichtungen vorzusehen, welche das zuständige Energieversorgungsunternehmen in ihren
technischen Anschlussbedingungen (TAB) festgelegt hat. Sollten technisch nicht zu
rechtfertigende Einrichtungen verlangt werden, kann eine kartellrechtliche Überprüfung dieser
Bedingungen veranlasst werden.
3.2.11 Typische Einsatzgebiete von BHKW's
Die bei dem Koppelprozess erzeugte Wärme kann für verschiedene Zwecke genutzt werden Die
unterschiedlichen Bereiche sind u.a.:
- Raumwärme (Hallenbäder, Krankenhäuser, Schulen, Sportzentren,
Wohnsiedlungen
etc.)
- Prozesswärme (Metallindustrie, Fleischfabrik, Molkerei, Holzver-
arbeitung
etc.)
- Fernwärme (kommunales Fernwärmenetz)
- Klima- und Kälteanlagen
Der Wärme- und Strombedarf muss zeitlich möglichst den gleichen Verlauf aufweisen , damit ein
wirtschaftlicher Betrieb des BHKW gewährleistet wird. Auftretende Ungleichmäßigkeiten werden
mittels Wärmespeicher überbrückt.
Der klassische Einsatzbereich liegt bei der Niedertemperaturwärmeerzeugung mit Temperaturen
unter 100 °C zur Deckung des Heizwärme-, Brauchwasser- sowie Prozesswärmebedarfs mit
entsprechend niedrigem Temperaturniveau. Die Verwendung von Verbrennungsmotoren mit der
so genannten ,,Heißkühlung", die eine Kühlwasser-Temperatur von über 100 °C zulassen,
erlauben den Einsatz zur Erzeugung von Prozesswärme auf höherem Temperaturniveau. Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, die Wärmeauskopplung in zwei Heizkreise aufzuteilen. Der
Kühlwasser- und der Schmierölwärmetauscher versorgt den Niedertemperaturkreis mit ca. 75 °C
warmem Wasser, wobei der folgende Abgaswärmetauscher Niederdruckdampf erzeugt.
Energie und Emissionsbilanz
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4 Energie und Emissionsbilanzen
4.1 Einleitung
Die Deckung unseres Energiebedarfes ist zum Teil mit erheblichen Umweltbeeinträchtigungen
verbunden. Sie sind auf allen Stufen der Versorgungskette festzustellen, von der Gewinnung der
Energieträger bis zur Verbrennung , und betreffen praktisch alle Umweltbereiche.
(Siehe Bild 3.1.)
Daher sind energiebedingte Umweltbelastungen durch den Einsatz von BHKW-Anlagen vor
dem Hintergrund folgender Fragen zu untersuchen:
- Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Energieträger
- befürchtete Klimaauswirkungen durch Veränderung von Spuren-
Gaskonzentration in der Atmosphäre
-
Schallemissionen
Bild 3.1: Auswirkungen auf die Umwelt durch Energieverbrauch
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4.2 Energieverbrauch und Umweltbelastung
Die negativen Auswirkungen des Primärenergieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen wurde zu
Beginn der Umweltdiskussion im Zusammenhang mit dem Waldsterben durch SO
2
und NO
X
sichtbar. Inzwischen hat sich die Debatte verlagert und auch verschärft: Die möglichen
Auswirkungen des ,,Treibhauseffektes" sowie des ,,Ozonloches" werden in immer düsteren
Farben gemalt. Dabei ist inzwischen dem natürlichen und dem antrophogenen , d.h. vom
Menschen verursachten Treibhauseffektes zu unterscheiden. Denn nur der antrophogene
Treibhauseffekt ist im Zusammenhang mit der Energieversorgung von Bedeutung, da er das
natürliche Gleichgewicht verändert.
Von den antrophogenen Spurengasen trägt CO
2
mit rund 50%, das Methan mit rund 13%, die
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) mit 22% und sonstige Spurengase mit 15% zum
Treibhauseffekt bei. Die Reduzierung dieser Spurengase ist die größte Herausforderung für die
Energiewirtschaft, da hier die eingesetzten fossilen Energieträger mit 40% für das CO
2
und 10%
für andere Spurengase am Treibhauseffekt beteiligt sind.
Die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages ,,Vorsorge zum Schutz der
Erdatmosphäre" erarbeitete nach einer Analyse des internationalen Sachstandes von
Wissenschaft und Politik zur Gesamtthematik Maßnahmen und Vorschläge zu einer am Schutz
des Weltklimas orientierten Umweltpolitik. Auf dieser Grundlage geht die Bundesregierung bis
zum Jahr 2005 von einer 25%igen Reduzierung des CO
2
-Ausstoßes in der BRD aus.
Die folgenden Zahlen stammen aus dem Bericht der Enquete-Kommission ,,Vorsorge zum
Schutz der Erdatmosphäre", November 1988.
CO
2
-Bildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger in kg CO
2
/kWh Brennstoffeinsatz
Braunkohle 0,400 kg CO
2
/kWh
Steinkohle
0.330 kg CO
2
/kWh
Erdöl
0,262 kg CO
2
/kWh
Erdgas
0,199
kg
CO
2
/kWh
Unter Berücksichtigung des elektrischen Wirkungsgrades ergibt sich eine CO
2
-Bildung bezogen
auf die Nutzenergie von:
Braunkohle 1,143 kg CO
2
/kWh
el
Steinkohle
0,868 kg CO
2
/kWh
el
Erdöl
0,623 kg CO
2
/kWh
el
Erdgas
0,663
kg
CO
2
/kWh
el
Energie und Emissionsbilanz
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Braunkohle
S teinkohle
E rdöl
E rdgas
0,4
0,33
0,262
0,199
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
kg/kWh Brennstoffeinsatz
Braunkohle
S teinkohle
E rdöl
E rdgas
Bild 3.2 CO
2
-Bildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger bezogen auf den
Brennstoffeinsatz
Braunkohle
Steinkohle
Erdöl
Erdgas
1,143
0,868
0,623
0,663
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
kg/kW
h
elektrische
Energiebereits
tellung
Braunkohle
Steinkohle
Erdöl
Erdgas
Bild 3.3: CO
2
-Bildung bezogen auf die elektrische Nutzenergie
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 1997
- ISBN (eBook)
- 9783832480479
- ISBN (Paperback)
- 9783838680477
- DOI
- 10.3239/9783832480479
- Dateigröße
- 1.6 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Fachhochschule Aachen – Maschinenbau und Mechatronik
- Erscheinungsdatum
- 2004 (Juni)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- energie einsparung primärenergie dachs bhkw
