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Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken

Diplomarbeit 2007 75 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung

2 Funktionsweisen von Blockheizkraftwerken
2.1 Miniblockheizkraftwerk mit Stirlingmotor
2.2 Miniblockheizkraftwerk mit Brennstoffzelle
2.3 Miniblockheizkraftwerk mit Dampfmotor
2.4 Miniblockheizkraftwerk mit Gasturbinen
2.5 Miniblockheizkraftwerk mit Dampfturbine
2.6 Miniblockheizkraftwerk als Organic-Rankine-Cycle-Anlage
2.7 Miniblockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor

3 Rahmenbedingungen für die Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken
3.1 Technische Rahmenbedingungen
3.2 Marktwirtschaftliche Rahmenbedingungen
3.3 Politische Einflussnahme und Förderprogramme für Kraft-Wärme-Kopplung
3.3.1 Das Kyoto-Protokoll
3.3.2 Der Zertifikatehandel für Kohlendioxid
3.3.3 Erneuerbare-Energien-Gesetz
3.3.4 Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz
3.3.5 Befreiung von der Strom- und Mineralölsteuer
3.3.6 Förderung durch die KfW Bankengruppe

4 Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken mit Verbrennungsmotor
4.1 Fixe Kosten
4.2 Variable Kosten
4.3 Break-even-point-Betrachtung
4.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung bei Vergütung nach dem Baseload-Strompreis
4.4.1 Vergleich von Stromeigenverwendung zu Stromverkauf
4.4.2 Konstruktion der Jahreslaufzeitkurve des Blockheizkraftwerks
4.4.3 Ergebnisbetrachtung der Baseload-Stromvergütung
4.5 Wirtschaftlichkeitsberechnung bei Vergütung nach dem durchschnittlichen Peakload-Strompreis
4.6 Wirtschaftlichkeitsberechnung bei Vergütung nach dem stundengenauen Peakload-Strompreis
4.7 Wirtschaftlichkeitsberechnung mit Vergütung für die Bereitstellung von Regelreserven

5 Zusammenfassung und Ausblick

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 1: Einsparung von Primärenergie durch Kraft-Wärme- Kopplung

Abbildung 2: Elektrischer Wirkungsgrad von Erdgas- (Heiz-) Kraftwerken im Leistungsbereich von 0,01 bis 1.000 MW

Abbildung 3: Zusammensetzung des Strompreises für Haushaltskunden

Abbildung 4: Spezifische Richtpreise für Erdgas-Blockheizkraftwerke

Abbildung 5: Kosten- und Erlösfunktion Blockheizkraftwerk

Abbildung 6: Kosten- und Erlösfunktion Blockheizkraftwerk mit reduzierten Fixkosten

Abbildung 7: Durchschnittlicher Jahrestemperaturgang und benötigter Raumwärmebedarf

Abbildung 8: Tagesgenaue Jahreslaufzeitkennlinie eines MINI-BHKW von Sept. 2005 bis Okt. 2006

Abbildung 9: Tagesgenaue Jahreslaufzeitkennlinie eines MINI-BHKW von Sept. 2005 bis Okt. 2006 bei Einsatz einer elektrischen Zusatzheizung

Abbildung 10: Monatliche Erlöse nach Baseload-Stromvergütung

Abbildung 11: Monatliche Kosten

Abbildung 12: Monatliches Ergebnis nach Baseload-Stromvergütung

Abbildung 13: Aufsummiertes Ergebnis nach Baseload-Stromvergütung

Abbildung 14: Vergleich zwischen Peakload-Strompreis und Baseload-Strompreis

Abbildung 15: Vergleich von monatlichem Gewinn nach Peakload-Strompreis zu Gewinn nach Baseload-Strompreis

Abbildung 16: Vergleich von Gewinn nach Peakload-Strompreis zu Gewinn nach Baseload-Strompreis

Abbildung 17: Täglicher Peakload-Stromverlauf im Jahresdurchschnitt

Abbildung 18: Vergleich von monatlichem Gewinn bei Einspeisung zu Spitzenzeiten

Abbildung 19: Vergleich von monatlich aufsummiertem Gewinn bei Einspeisung zu Spitzenzeiten

Tabelle 1: Zuschlag zur Einspeisevergütung

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Angesichts einer zu erwartenden Energieverknappung und der Auswirkungen des Treibhauseffektes sind national und international energiepolitische Entscheidungen getroffen worden. Diese sind einerseits länderübergreifend. Das Kyoto-Protokoll ist hierbei besonders zu nennen. Andererseits sind auf nationaler Ebene Gesetze, wie in Deutschland das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz oder das Erneuerbare-Energien-Gesetz, beschlossen worden.

Durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz werden Blockheizkraftwerke gefördert. Diese produzieren Strom und Nutzwärme gleichzeitig und nutzen so die eingesetzten Energieträger effizient aus. Durch geeignete Maßnahmen kann die Wirtschaftlichkeit von kleinen Blockheizkraftwerken weiter optimiert werden. Das Augenmerk soll hierbei besonders auf der Kopplung an den Strompreis liegen.

1.1 Problemstellung

Die Versorgung mit Strom durch die Energieversorger muss auch bei dem Auftreten von Lastspitzen garantiert sein. Um dies sicherzustellen, sind von den Energieversorgern entsprechend hohe Kraftwerkskapazitäten bereitzuhalten. Die in den Lastspitzen zuzuschaltenden Kraftwerke müssen schnell hochzufahren sein. Hierfür kommen nur bestimmte Kraftwerkstypen in Frage. Diese Kraftwerke werden nur für kurze Zeit am Tag oder sogar nur an einigen Tagen im Jahr zugeschaltet. Diese Spitzenlastkraftwerke haben also relativ geringe Laufzeiten. Sie finanzieren sich über den Strompreis, wie alle anderen Kraftwerke auch. Hierdurch und durch den meist in Spitzenlastkraftwerken eingesetzten primären Energieträger Erdgas ist der so produzierte Strom verhältnismäßig teuer.

Durch die Entwicklung effektiverer Miniblockheizkraftwerke wird deren Verwendung in Einfamilienhäusern, an Stelle einer gewöhnlichen Heizungsanlage oder ergänzend zu dieser, immer vorteilhafter. Entsprechend steigen die Zahlen bei den Installationen von Blockheizkraftwerken der Größenordnung von 5 kW elektrischer Leistung. Durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz wird dem Hauseigentümer die Abnahme des von ihm produzierten Stromes garantiert. Dies hat für den Energieversorger den Nachteil, dass der Strom gerade dann produziert wird, wenn die Heizung anspringt. Dies geschieht aber in der Regel nicht in dem Zeitraum, in dem Leistungsspitzen im Stromnetz abzudecken sind.

Der Strom aus diesen Miniblockheizkraftwerken steht, entsprechend seiner Vergütung nach dem Grundlaststrompreis, in Konkurrenz zum Strom, der in den Grundlastkraftwerken produziert wird. Diese Kraftwerke sind großteils bereits abgeschrieben und liefern ihren Strom entsprechend günstig.

1.2 Zielsetzung

Den Beginn dieser Arbeit bildet die Beschreibung des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Zusammenhang wird auch auf den grundsätzlichen Vorteil der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung gegenüber der zentralen Energieerzeugung eingegangen, der durch eine effizientere Ausnutzung der eingesetzten Primärenergieträger entsteht. Es folgt eine Erörterung der verschiedenen technischen Verfahren der Kraft-Wärme-Kopplung und der hieraus resultierenden verschiedenen Blockheizkraftwerkstypen. Dabei werden Kenngrößen wie Wirkungsgrad, Stromkennzahl und sonstige technische Eigenschaften verglichen. Entsprechend ergeben sich für die verschiedenen Blockheizkraftwerkarten jeweils typische Einsatzfelder.

Es sind Gesetze und Förderprogramme aufgelegt worden, um die Kraft-Wärme-Kopplung zu fördern. Diese werden in Bezug auf die Förderung der Miniblockheizkraftwerke näher untersucht. Mit den hieraus resultierenden garantierten Vergütungen folgt im weiteren Verlauf dieser Arbeit eine Wirtschaftlichkeitsberechnung. Zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken werden verschiedene Szenarien der Stromvergütung zu Grunde gelegt. Die erste Berechnung legt die derzeitige, gesetzlich garantierte, Stromvergütung nach dem Grundlaststrompreis zugrunde. In einer zweiten Rechnung wird unterstellt, dass die gesamte tägliche Stromproduktion auf die Zeit zwischen 8 Uhr und 20 Uhr verschoben wird. Während dieser Zeit kann der durchschnittliche Strompreis für Spitzenlaststrom angesetzt werden, durch den eine höhere Vergütung erzielt wird. Eine weitere Wirtschaftlichkeitsberechnung unterstellt eine Vergütung nach dem zur Zeit der Einspeisung aktuellen Strompreis. Es wird hierbei angenommen, dass die tägliche Laufzeit des Blockheizkraftwerks in dem Bereich der maximalen Stromvergütung stattfindet. Um eine repräsentative Aussage zu erhalten, wird diese Berechnung rückwirkend, über ein Jahr hinweg, durchgeführt. Hierzu wird stundengenau der Preis an der Leipziger Strombörse herangezogen. Die angenommenen täglichen Laufzeiten des Miniblockheizkraftwerks werden unter Berücksichtigung der jeweiligen täglichen Außentemperatur errechnet.

Mit den verschiedenen Wirtschaftlichkeitsberechnungen soll gezeigt werden, dass es ökonomisch sinnvoll ist, die Miniblockheizkraftwerke an den Spitzenbedarf des Stromnetzes bzw. den Strompreis zu koppeln. Bei dieser zeitlichen Optimierung besteht dann die Notwendigkeit, die gesetzliche Vergütung des eingespeisten Stromes entsprechend zu garantieren. Die Blockheizkraftwerke stehen somit weniger in Konkurrenz zu den Grundlastkraftwerken der Energieversorger, sondern eher zu den Spitzenlastkraftwerken.

2 Funktionsweisen von Blockheizkraftwerken

Die Funktionsweisen von Blockheizkraftwerken beruhen auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet man die gleichzeitige Erzeugung von Kraft, vornehmlich generatorisch direkt in Strom umgewandelt, und Wärme, die für technische Prozesse oder zu Heizzwecken genutzt wird. Durch die Kraft-Wärme-Kopplung wird eine höhere Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie erzielt. Im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme wird Energie eingespart. In der nachfolgenden Grafik wird in einem Beispiel der Bedarf an Primärenergie für ein Blockheizkraftwerk in Relation zur getrennten Strom- und Wärmeproduktion gesetzt. Unter heutigen Bedingungen wird die Wärme in den privaten Haushalten mittels einer Heizung mit Brenner erzeugt. Aktuelle Heizungsanlagen mit Brennwerttechnik haben Wirkungsgrade von bis zu 91 %.[1] Der in privaten Haushalten verwendete Strom wird hauptsächlich von Großkraftwerken geliefert. Nach dem Stand von 2005 liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad fossil befeuerter Kraftwerke bei 38 %.[2] Als Vergleichsanlage wird das für diese Arbeit herangezogene Blockheizkraftwerk angenommen. Dieses hat einen thermischen Wirkungsgrad von 61 %. Der elektrische Wirkungsgrad beläuft sich auf 27 %. Unter diesen Bedingungen kann durch Kraft-Wärme-Kopplung eine Einsparung von 28 % der eingesetzten Primärenergie erreicht werden.

Abbildung 1: Einsparung von Primärenergie durch Kraft-Wärme-Kopplung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gibt es mit Leistungen ab 1 kW bis hin zu mehreren hundert MW Leistung. Die geforderte Anlagengröße ist maßgeblich mitentscheidend, welches Verfahren der Kraft-Wärme-Kopplung wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Nachstehend ist der elektrische Wirkungsgrad verschiedener Erdgaskraftwerke in Kraft-Wärme-Kopplungstechnik über die Kraftwerksgröße hinweg angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass verschiedene Kraftwerkstypen erst ab einer Mindestanlagengröße Anwendung finden. Für erdgasbetriebene Miniblockheizkraftwerke in der Größenordnung von 10 kW elektrischer Leistung kommen nur Gasmotoren und Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen) in Betracht.

Abbildung 2: Elektrischer Wirkungsgrad von Erdgas- (Heiz-) Kraftwerken im Leistungsbereich von 0,01 bis 1.000 MW

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Pehnt, M., Nitsch, J.: Einsatzfelder und Marktchancen von Brennstoffzellen in der industriellen und öffentlichen Kraft-Wärme-Kopplung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., S. 3

Legende:

PEFC = Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle (polymer electrolyte fuel cell), Bauart einer Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle

PAFC = Phosphorsaure Brennstoffzelle (phosphoric acid fuel cell), Bauart einer Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von 135 °C bis 200 °C

SOFC = Festoxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell), Bauart einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von 800 °C bis 1.000 °C

MCFC = Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (molten carbonate fuel cell), eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur um die 650 °C

GuD-Kraftwerk = Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

Im Folgenden sind die gängigsten Typen von Blockheizkraftwerken beschrieben. Insbesondere wird auf die Kraft-Wärme-Kopplungsverfahren eingegangen, die sich für kleine Blockheizkraftwerksanlagen eignen. Der Vollständigkeit halber werden aber alle nach dem Gesetz als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen anerkannte Verfahren aufgeführt.[3]

2.1 Miniblockheizkraftwerk mit Stirlingmotor

Bei diesem Typ von Blockheizkraftwerk wird der Strom in einem Generator erzeugt, der von einem Stirlingmotor angetrieben wird. Ein Stirlingmotor, er wird auch als Heißgasmotor bezeichnet, ist eine Wärmekraftmaschine, bei der ein Gas durch Erwärmung und Abkühlung zyklisch komprimiert und expandiert wird. Das Gas bewegt dabei einen Kolben und setzt Volumenänderungsarbeit in mechanische Arbeit um. Dieses Arbeitsgas befindet sich in einem geschlossenen System und wird nicht, wie im Verbrennungsmotor, zyklisch ausgetauscht. Die Energiezufuhr erfolgt bei dem Stirlingmotor durch eine externe Wärmequelle. Dies kann beispielsweise eine externe Brennkammer am Motor sein. In einer Brennkammer verbrennt Kraftstoff besser als in einem Verbrennungsmotor mit innen liegender Verbrennung. Die konstante Verbrennungstemperatur, bei gleichbleibendem Druck, hält den Schadstoffausstoß niedrig. Die Verbrennung ist entsprechend umweltschonend. Stirlingmotoren sind geräuscharm, da sie keine Explosions- und Abgasgeräusche erzeugen wie herkömmliche Verbrennungsmotoren. In einer Brennkammer können zudem auch feste Brennstoffe eingesetzt werden. Dem Stirlingmotor eröffnen sich durch den möglichen Vielstoffeinsatz auch bisher nicht genutzte Energiequellen, wie die Müllverbrennung und die Verbrennung von Biomasse. Durch die externe Wärmezufuhr und durch den vergleichsweise einfachen technischen Aufbau ergibt sich für diesen Motortyp eine relativ hohe Lebensdauer bei gleichzeitig nur geringem Wartungsaufwand. Zum Teil sind diese Motoren sogar wartungsfrei. Bei mit Stirlingmotor betriebenen Blockheizkraftwerken entfällt die Wartung in erster Linie auf die Wartung der Brennkammer. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad eines Stirlingmotors wird durch den Carnot-Prozess[4] vorgegeben. Er beschreibt den idealen thermodynamischen Kreisprozess einer Kraftwärmemaschine. Der Carnot-Wirkungsgrad ist tendenziell höher als der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren, wobei die Prozesstemperatur einen maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Bei Prozesstemperaturen von 1.400 °C, wie bei Gas- und Dampfturbinenkraftwerken, liegt der maximal mögliche Carnot-Wirkungsgrad bei über 80 %. Bei Prozesstemperaturen von nur 100 °C, wie sie in Heizungsanlagen relevant sind, sinkt der maximal mögliche Carnot-Wirkungsgrad auf ca. 25 %. Der technische Stand von Stirlingmotoren, die in Miniblockheizkraftwerken eingesetzt werden, ist aber von dem idealen thermodynamischen Kreisprozess noch so weit entfernt, dass die elektrischen Wirkungsgrade von derzeit verfügbaren Blockheizkraftwerken mit Stirlingmotor denen von Blockheizkraftwerken mit Verbrennungsmotor nachstehen. Es gibt mit Stirlingmotoren betriebene Blockheizkraftwerke mit elektrischen Wirkungsgraden von bis zu 24 %. Die am Markt verfügbaren Typen haben in der Regel aber nur elektrische Wirkungsgrade von ca. zehn Prozent.

Der Gesamtwirkungsgrad der meisten Blockheizkraftwerkstypen liegt um die 90 %, jedoch ist der Anteil des elektrischen Wirkungsgrades ausschlaggebend für den Einsatz eines Blockheizkraftwerks. Der elektrische Wirkungsgrad ist maßgeblich, da die Mehrkosten eines Miniblockheizkraftwerkes gegenüber einer Heizung mit Brenner durch den Stromerlös finanziert werden müssen.

Eine typische Bauart eines Miniblockheizkraftwerkes mit Stirlingmotor ist die Kombination eines Stirlingmotors in Bauart eines Freikolbenmotors mit einem Linear-Generator. Die Anschaffungskosten eines mit einem Stirlingmotor betriebenen Miniblockheizkraftwerks liegen höher als die eines Blockheizkraftwerks mit Verbrennungsmotor. Die Wartungskosten sind hingegen geringer.

2.2 Miniblockheizkraftwerk mit Brennstoffzelle

Bei dieser Bauart eines Blockheizkraftwerkes wird der Strom durch Umwandlung des gasförmigen Energieträgers in einer Brennstoffzelle erzeugt. Der Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt. Bei der Verwendung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, muss der Wasserstoff zuvor aus dem Brennstoff isoliert werden. Bei diesem Umwandlungsprozess entsteht neben Wasserstoff auch Kohlendioxid. Abgesehen davon, dass das Kohlendioxid als Klimagas wirkt, fallen bei der Brennstoffzelle keine sonstigen Schadstoffe an. Das Miniblockheizkraftwerk mit Brennstoffzelle ist aus diesem Grund auch das umweltfreundlichste. Die Energie wird durch eine kontrollierte elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt. Die sonst übliche Verbrennung findet nicht statt. Die Energie steht damit zum einen Teil direkt als elektrischer Strom zur Verfügung. Der andere Teil der Energie wird als Abwärme von der Brennstoffzelle abgegeben. Es entfällt der Umweg über die Umwandlung des Energieträgers durch Verbrennung in kinetische Energie, die erst noch generatorisch in elektrischen Strom umgewandelt werden muss. Entsprechend gibt es bei der Brennstoffzelle auch keine beweglichen Komponenten, wie im motorbetriebenem Blockheizkraftwerk, die verschleißen und ausfallen können. Ebenso existiert für die Brennstoffzelle keine Begrenzung des elektrischen Wirkungsgrades durch den Carnot-Prozess. Die elektrischen Wirkungsgrade von Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken liegen höher als die von motorbetriebenen Blockheizkraftwerken. Je nach Brennstoffzellentechnologie liegen sie bei 35 % bis 60 %. Die eingesetzten Brennstoffzellentypen in Miniblockheizkraftwerken sind meist Niedertemperaturbrennstoffzellen. Dies sind in der Regel Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen. Diese Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturniveaus von 60 bis 80 Grad Celsius, welche direkt für Heizungsanlagen verwendet werden können. Hochtemperaturbrennstoffzellen sind für Kleinstanlagen hingegen eher ungeeignet, werden aber bei größeren Anlagen favorisiert. Besonders dann, wenn die Abwärme, zum Beispiel als Prozesswärme oder für nachgeschaltete Gasturbinen, Verwendung findet.

Ein Blockheizkraftwerk, basierend auf der Brennstoffzellentechnologie, kann, bei gleich bleibendem beziehungsweise leicht steigendem elektrischen Wirkungsgrad, problemlos unter Teillast gefahren werden. Bei mit Verbrennungsmotor betriebenen Blockheizkraftwerken wird der Betrieb unter Nennleistung favorisiert, da im Teillastbetrieb der elektrische Wirkungsgrad sinkt. Wird nur Teillast benötigt, werden diese Anlagen im Aussetzbetrieb gefahren.

Die Brennstoffzellentechnologie konnte sich bisher noch nicht am Markt durchsetzen, da die Lebensdauer der Brennstoffzellen im Niedertemperaturbereich noch zu gering ist. Zurzeit müssen Brennstoffzellen nach etwa fünf Jahren ersetzt werden. Erst wenn Mindestlaufzeiten von ca. 40.000 Betriebsstunden erreicht werden, wird von einer ausreichenden Rentabilität ausgegangen. Auch die Brennstoffzellen selbst sind noch zu teuer und stellen die Wirtschaftlichkeit des Blockheizkraftwerkes in Frage. Der Preis der Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke übersteigt den der motorisch betriebenen Blockheizkraftwerke noch um das 2,5 bis 20-Fache[5]. Langfristige Anwendungserfahrungen gibt es in Deutschland nur bei größeren Blockheizkraftwerken, die mit Hochtemperaturzellen betrieben werden. Kleine Blockheizkraftwerke mit Brennstoffzellen, auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen, werden erst von wenigen Firmen angeboten. Entsprechend kann eine Wirtschaftlichkeitsberechnung über die Nutzungsdauer hinweg nur theoretisch betrachtet werden.

2.3 Miniblockheizkraftwerk mit Dampfmotor

Bei dem Blockheizkraftwerk auf Basis eines Dampfmotors wird Wasserdampf als Arbeitsmittel benutzt. Der Motor ist vom Prinzip her eine Dampfmaschine mit Ventilsteuerung. In der Bauart als Rotationskolben-Expansionsmaschine erreicht er Drehzahlen von bis zu 1500 U/min und ist damit zum Direktantrieb eines Generators für den Netzparallelbetrieb geeignet.

Das zum Antrieb benutzte Wasser befindet sich im Idealfall in einem geschlossenen Kreislauf. Wasser wird erhitzt und nimmt Energie auf. Der entstehende Wasserdampf treibt den Dampfmotor an, der wiederum mit dem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Im Motor entspannt sich der Wasserdampf und kühlt ab. Nach Verflüssigung des Restdampfes in einem Kondensator wird das Wasser wieder an den Anfang des Kreislaufes gepumpt.

Die Erzeugung des Wasserdampfes kann durch den Einsatz verschiedener Brennstoffe erfolgen. Dies liegt an der externen Brennkammer[6] des Dampfmotors, die für verschiedene Arten von Brennstoffen ausgelegt werden kann. Der mechanische Wirkungsgrad des Dampfmotors ist ähnlich dem eines Dieselmotors. In entsprechender Baugröße ist der Dampfmotor für ein Miniblockheizkraftwerk geeignet. Am Markt sind aber nur wenige Hersteller vertreten. Beispielsweise bietet die Firma Spilling Dampfmotore von 25 kW bis zu 1.500 kW Leistung an.

2.4 Miniblockheizkraftwerk mit Gasturbinen

Diese Bauart von Miniblockheizkraftwerk verwendet zur Auskopplung von kinetischer Energie eine Gasturbine. Die Bauart entspricht vom Prinzip her der einer Flugzeugturbine, die Energie wird jedoch nicht für den Rückstoß verwendet, sondern von der Turbinenwelle auf einen Generator zur Stromproduktion übertragen. Durch Auskopplung der Abwärme der Abgase in einem Wärmetauscher ist die Kraftwärmekopplung gegeben. Die Gasturbine ist für größere Anlagen sinnvoll. Bei Anlagen in der Größenordnung um 20 MW ergibt sich ein elektrischer Wirkungsgrad von 25 % bis 35 %.[7] Für den Einsatz in Blockheizkraftwerken eignen sich sogenannte Mikroturbinen. Bei diesen Anlagengrößen, die zwischen 30 kW und 300 kW elektrischer Leistung liegen, ergeben sich aber nur noch elektrische Wirkungsgrade von 15 % bis 25 %.[8] Zudem liegt die thermische Leistung über der, die für ein Miniblockheizkraftwerk benötigt wird. Anbieter für Miniblockheizkraftwerke im Leistungsbereich von 25 kW Gesamtleistung sind derzeit nicht am Markt vertreten.

2.5 Miniblockheizkraftwerk mit Dampfturbine

Die Dampfturbine ist ähnlich aufgebaut wie die Gasturbine. Allerdings findet in der Turbine keine Verbrennung statt, sondern sie wird zum Antrieb mit Wasserdampf durchströmt. Die Erzeugung des Wasserdampfes erfolgt in einer externen Brennkammer, so dass der Einsatz einer Vielzahl von Energieträgern möglich ist. Dem Funktionsprinzip liegt der thermodynamische Kreisprozess zu Grunde.[9]

Unter das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz fallen Anlagen mit bis zu 2 MW Leistung, die mit einer Dampfturbine betrieben werden. Allerdings sind für den Leistungsbereich von ca. 25 kW keine Dampfturbinenanlagen verfügbar und derzeit für die Anwendung als Miniblockheizkraftwerk nicht relevant.

2.6 Miniblockheizkraftwerk als Organic-Rankine-Cycle-Anlage

Organic-Rankine-Cycle-Anlagen entsprechen vom Prinzip her Dampfturbinenanlagen. Als Arbeitsmedium werden allerdings andere Flüssigkeiten als Wasser eingesetzt. Die verwendeten Flüssigkeiten besitzen niedrigere Verdampfungstemperaturen als Wasser. Durch die niedrigere Verdampfungstemperatur können Wärmequellen mit geringerer Temperaturdifferenz zwischen Temperaturquelle und Temperatursenke genutzt werden, die für Dampfturbinen mit Wasserdampf nicht nutzbar sind. Organic-Rankine-Cycle-Anlagen finden bei der Ausnutzung der Geothermie, bei Meereswärmekraftwerken und bei der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung.

Organic-Rankine-Cycle-Anlagen sind vom Gesetzgeber wie die Dampfturbinenanlagen als förderfähige Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung anerkannt. Anlagen in der Größenordnung von 25 kW, um als Miniblockheizkraftwerk Verwendung zu finden, sind aber nicht bekannt.

2.7 Miniblockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor

Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotor gibt es entsprechend der verfügbaren Motorengrößen in einem Leistungsbereich von 1 kW bis zu 20.000 kW Leistung. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Basis des Verbrennungsmotors sind Stand der Technik und am Markt der überwiegend erhältliche Bautyp. Dies liegt unter anderem daran, dass die Verbrennungsmotore weitgehend denen aus dem Automobilbau entsprechen und ausgereift sind. Je nach Energieträger, Gas oder Öl, werden Ottomotore oder Dieselmotore eingesetzt. Das Miniblockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor hat eine geringere Stromkennzahl, das Verhältnis von elektrischem zu thermischem Wirkungsgrad, als Anlagen mit Brennstoffzelle. Bezüglich der Stromeffizienz ist es diesen Anlagen unterlegen. Da Brennstoffzellen im Niedrigtemperaturbereich aber noch zu kurzlebig und zu teuer sind, sind Anlagen mit Brennstoffzellen für kleine Blockheizkraftwerke kaum am Markt vertreten. Das Miniblockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor ist technisch ausgereifter und hat sich am Markt bereits etabliert, so dass es auch für die weiteren Berechnungen in dieser Arbeit herangezogen wird. Sämtliche anderen zuvor beschriebenen förderfähigen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind für Miniblockheizkraftwerke ungeeignet oder zurzeit nur als Nischenprodukte zu betrachten. Die folgende Wirtschaftlichkeitsberechnung mit dem Ziel der Optimierung der Stromvergütung lässt sich aber parallel auch für alle anderen Blockheizkraftwerkstypen durchführen.

[...]


[1] Für den Wirkungsgrad der Heizung wird eine Anlage nach heutigem Stand der Technik betrachtet, da im Folgenden auch die alternative Installation eines Blockheizkraftwerkes nach ebenfalls aktuellem Stand angenommen wird. Der durchschnittliche Wirkungsgrad der derzeit installierten Heizungen liegt aber unter 91 %.

[2] Quelle: Verband der Elektrizitätswirtschaft, VDEW-Pressekonferenz – Berlin – 14. November 2006, Zahlen und Fakten.

[3] Nach dem Kraft-Wärmekopplungsgesetz § 3 Absatz 2 sind Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Dampfturbinen-Anlagen, Gasturbinen-Anlagen, Verbrennungsmotor-Anlagen, Stirlingmotoren, Dampfmotoren-Anlagen, ORC (Organic Rankine Cycle)-Anlagen und Brennstoffzellen-Anlagen, sofern in ihnen Strom und Nutzwärme produziert werden.

[4] Der Carnot-Prozess beschreibt den idealen thermodynamischen Kreisprozess. Das Arbeitsmedium ist ein Gas, welches abwechselnd Wärme aufnimmt und abgibt. Das Medium wird hierzu abwechselnd mit der Temperaturquelle und Temperatursenke in Kontakt gebracht. Es wird unter Zuführung mechanischer Arbeit verdichtet und unter Abgabe mechanischer Arbeit expandiert es wieder. Die Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener thermischer Wärmemenge entspricht der abgegebenen mechanischen Arbeit.

[5] Vgl. Pehnt, M., Traube, K.: Zwischen Euphorie und Ernüchterung – Stand und mittelfristige Perspektiven stationärer Brennstoffzellen, Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e. V., Berlin Okt 2004, S. 2.

[6] Die Beschreibung einer externen Brennkammer erfolgt in Kapitel 2.1, Miniblockheizkraftwerk mit Stirlingmotor.

[7] Energytech.at: Technologieportrait Kraft-Wärme-Kopplung, Wien, Mai 2002, S. 18.

[8] Energytech.at: Technologieportrait Kraft-Wärme-Kopplung, Wien, Mai 2002, S. 24.

[9] Siehe auch die Beschreibug des thermodynamischen Kreisprozesses im Kapitel_2.3, Miniblockheizkraftwerk mit Dampfmotor.

Details

Seiten
75
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783836617871
Dateigröße
611 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v226063
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln – Wirtschaftswissenschaften, Weiterbildendes Studium Wirtschaft für Ingenieure
Note
1,3
Schlagworte
blockheizkraftwerk kraftwärmekopplung einspeisevergütung bhkw wirtschaftlichkeitsberechnung

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Titel: Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken