Vergleich zwischen gekoppelter und getrennter Erzeugung

Die zwei Alternativen der Wärme- und Stromerzeugung

Motivation für den Einsatz eines Mini-BHKW ist es, die Wärme- und Stromversorgung möglichst effizient, umweltscho¬nend und kostengünstig zu gestalten. Um den – zu erwartenden – Erfolg zu beurteilen, werden die zwei konkurrieren¬den Varianten zur Wärme- und Stromversorgung miteinander verglichen. Die gekoppelte Erzeugung umfasst die Wärme- und Stromproduktion des Mini-BHKW, den Reststrombezug aus dem Netz und die Wärmeerzeugung durch den Spitzenkessel. Bei der getrennten Erzeugung wird der gesamte Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen, die Wärme wird im eigenen Gas- oder Ölkessel erzeugt.
Um eine verlässliche Basis für die Beurteilung des Mini-BHKW zu erhalten, ist eine detaillierte Betrachtung aller Ein¬flussgrößen angebracht. Dies umfasst eine Vollkostenrechnung für beide Varianten (unter Berücksichtigung der Strom¬erlöse für das Mini-BHKW), die Bestimmung des Wärme- und Strombedarfs sowie die Ermittlung des daraus resul¬tierenden Brennstoffverbrauchs und der emittierten Schadstoffe.


Planungssoftware MiniBHKW-Plan


Viele Hersteller verfügen über eigene Software zur Wirtschaftlichkeitsberechnung ihrer Module. Eine herstellerunabhängi¬ge Planungs- und Auslegungssoftware hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) im Auftrag des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg entwickelt

 


Abbildung 21: Startmenü von MiniBHKW-Plan

 MiniBHKW-Plan berechnet den stündlichen Wärmebedarf eines oder mehrerer Gebäude unter Berücksichtigung der Gebäude- und Klimadaten. Ein zusätzlicher Prozesswärmebedarf kann eingegeben werden. Ausgehend vom Gesamtwärmebedarf simuliert MiniBHKW-Plan den Betrieb des Mini-BHKW-Systems: Wärme- und Stromproduktion eines oder mehrerer Module, Be- und Entladung des Pufferspeichers sowie der Betrieb des Spitzenkessels werden in Stundenschritten über das ganze Jahr simuliert. Aus den Betriebszeiten des Mini-BHKW und des Spitzenkessels werden – abhängig vom eingesetzten Brennstoff – die anfallenden Emissionen von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefeloxid, Stickoxiden und Staub berechnet. Anschließend werden in einer Wirtschaftlichkeitsberechnung die Kapital-, Betriebs-und Brennstoffkosten sowie die Erlöse aus vermiedenem Strombezug und Einspeisung zu unterschiedlichen Tarifzeiten bestimmt. Die zusätzliche Simulation der getrennten Wärme- und Stromversorgung ermöglicht einen Vergleich zwischen den beiden Versorgungsvarianten hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Schadstoff-Emissionen.
Im Folgenden werden einige wichtige Einflussgrößen für die Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeit von Mini-BHKW aufgezeigt.

Emissionen


Ein wichtiges Argument für den Einsatz von Mini-BHKW ist die Reduzierung von Schadstoffemissionen wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NOX) und Staub (Partikel). Die Emissionen, die bei der Erzeugung von Wär me und Strom entstehen, hängen von der Art der Erzeugung, vom Brennstoff und vom Wirkungsgrad der Energieumwand lung ab. Je größer der Wirkungsgrad ist, desto geringer ist der Brennstoffverbrauch und desto geringer sind die Emissionen.
Während die Emissionen von für die Luftreinhaltung relevanten Stoffen, wie z.B. Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Partikeln auch durch die Optimierung der Verbrennungsbedingungen oder sekundäre Minderungstechniken wie Abgaskatalysatoren oder Filter verringert werden kann, können die für den Klimaschutz relevanten CO2-Emissionen nur durch eine Reduzierung des Brennstoffverbrauches gesenkt werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt, insbesondere beim Einsatz von festen und flüssigen Brennstoffen, ist der Schutz der Nachbarschaft vor Gerüchen (z.B. durch Aldehyd-Emissionen), Ruß und Staub. Hierbei kommt neben der richtigen Dimensionierung und Aufstellung der Anlage, dem Einsatz von Pufferspeichern, der emissionsarmen Einstellung und der regelmäßigen Wartung vor allem der richtigen Dimensionierung und Höhe des Abgaskamins eine zentrale Bedeutung zu.
Der Vorteil der Mini-BHKW ist der hohe Gesamtwirkungsgrad von typischerweise 90%. Rund 30% der eingesetzten Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, rund 60% in Nutzwärme. Zwar liegt der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad deutscher Kraftwerke mit ca. 39% über dem eines Mini-BHKW und der thermische Wirkungsgrad eines
modernen Heizkessels ist mit über 90 % auch erheblich größer. Das große Plus des Mini-BHKW besteht aber darin, dass sich durch die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme vom Prinzip beide Wirkungsgrade addieren.

Abbildung 22: Wirkungsgrade der getrennten Erzeugung

 

Die Erzeugung von Strom und Wärme durch das Mini-BHKW erfolgt ungefähr im Verhältnis 1:2 bis 1:4 und wird durch die Stromkennzahl beschrieben. Je größer die Stromkennzahl ist, desto mehr Strom wird im Verhältnis zur Wärme erzeugt und desto besser fällt die Energiebilanz zugunsten des Mini-BHKW aus, denn es wird vor allem die vergleichs¬weise ineffiziente Stromerzeugung im Kraftwerk ersetzt. Gegenüber der Erzeugung der gleichen Strom- und Wärmemenge im Kraftwerk bzw. im Heizkessel verbraucht das Mini-BHKW rund 30% weniger Brennstoff.

Abbildung 23: Wirkungsgrade der gekoppelten Erzeugung

 

Im praktischen Einsatz ist die tatsächliche Brennstoffeinsparung allerdings etwas geringer, weil nicht der gesamte Wärme- und Strombedarf durch eine Mini-BHKW abgedeckt wird. Ungefähr 25 bis 40 % des gesamten Wärme ver - brauchs liefert ein Spitzenlastkessel. Rund 30 bis 40 % des verbrauchten Stroms kommen aus dem Kraftwerk. Je nach Randbedingung können diese Werte aber auch erheblich abweichen. Je größer der Deckungsanteil durch das BHKW ist, desto größer sind auch die Einsparungen. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für den Brennstoff verbrauch für ein Mehrfamilienhaus, dessen Wärme- und Strombedarf jeweils gut 60% durch ein Mini-BHKW gedeckt wird.
Ein Vorteil zentraler Kraftwerkstechnologie im Vergleich zum Mini-BHKW ist wiederum die Möglichkeit, die Kraftwerks emis - sionen durch moderne, hocheffiziente Abgasreinigungstechnik auf sehr niedrige Emissionswerte zu senken und die Abgase über einen hohen zentralen Kamin mit großer Entfernung zur Wohnbebauung in die freie Luftströmung zu emittieren.

 

Abbildung 24: Vergleich Brennstoffverbrauch

Der Effizienzgewinn der Mini-BHKW Technik muß deshalb auch mit niedrigen Abgaswerten und niedrigen Lärmwerten nach dem Stand der Technik und einer optimalen Abgasableitung kombiniert werden, damit die BHKW´s im Wettbewerb mit zentraler Kraftwerkstechnologie ihre Vorteile vollständig ausspielen können. Teilweise sind die Förderbedingungen oder auch der Umweltbonus bereits an solche Vorgaben gekoppelt, so dass Klimaschutz, Energieeffizienz, Nachbarschaftsschutz und Luftreinhaltung gleichbe¬rechtigt Berücksichtigung finden und den flächendeckenden Ausbau der BHKW-Technik weiter vorantreiben.

Abbildung 25: Je höher der Schornstein ist, desto besser sind die Ableitbedingungen. Das Abgas kann frei nach oben abströmen. Liegt die Schornsteinmündung über First verbessern sich die Ableitbedin-gungen deutlich.

 Die Wirtschaftlichkeit des Mini-BHKW hängt – neben seinen Investitionskosten – wesentlich vom Wert des erzeugten Stroms ab, da die Erlöse aus der Stromeigennutzung und aus dem Stromverkauf die Mehrkosten des Mini-BHKW gegenüber einem konventionellen Heizkessel ausgleichen müssen.

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit des Mini-BHKW hängt – neben seinen Investitionskosten – wesentlich vom Wert des erzeugten Stroms ab, da die Erlöse aus der Stromeigennutzung und aus dem Stromverkauf die Mehrkosten des Mini-BHKW gegenüber einem konventionellen Heizkessel ausgleichen müssen.

Der Erlös aus der Stromeinspeisung ist der vom Netzbetreiber vergütete Betrag. Für den selbst verbrauchten Strom ergibt sich als Erlös der Betrag, den man dadurch spart, dass man den Strom nicht vom Versorger kaufen muss. Die Wirtschaftlichkeit des Mini-BHKW hängt also auch von den – veränderlichen – Strombezugs- und Einspeisetarifen des Energieversorgungsunternehmens ab. Im Gebäude selbst verbrauchter Strom ist höher zu bewerten als ins Netz einge¬speister Strom, da die Vergütung in der Regel – heute noch – gering ist und in jedem Fall unter dem Strombezugspreis liegt. Zur Berechnung der zu erwartenden Stromerlöse muss deshalb ermittelt werden, welcher Anteil des produzierten Stroms selbst verbraucht wird und welcher Anteil ins Netz eingespeist wird.
Ausgehend von den Tagesganglinien des Wärmebedarfs für alle 365 Tage des Jahres wird der Betrieb des Mini-BHWK simuliert, gegebenenfalls mit Be- und Entladung des Pufferspeichers. Anhand der Tagesganglinien für den Strombedarf kann bestimmt werden, zu welchen Zeiten der Strom im Gebäude selbst genutzt und wann er ins Netz eingespeist wird.

Abbildung 26: Stromeigennutzung und Einspeisung ins Netz

 

Wärme- und Stromgestehungskosten


Die Wärme- und Stromgestehungskosten des Mini-BHKW lassen sich nicht unabhängig voneinander bestimmen, denn die anfallenden Kosten können nicht eindeutig auf die Wärme- und die Stromproduktion verteilt werden. Um dennoch eine Basis für den Vergleich mit der getrennten Erzeugung zu erhalten, werden die Gesamtkosten des Mini-BHKW-Systems entweder vollständig der Stromerzeugung oder vollständig der Wärmeerzeugung zugeordnet. Die jeweils ande¬re erzeugte Energieart wird dabei durch eine Gutschrift berücksichtigt, die die Gesamtkosten senkt.
Zur Berechnung der Wärmegestehungskosten werden zuerst die jährlichen Gesamtkosten der Energieversorgung durch das Mini-BHKW ermittelt. Diese umfassen die Investitions- und Kapitalkosten für das Mini-BHKW-Modul, für Spitzen¬kessel und Wärmespeicher, Kosten für bauliche Maßnahmen und den Anschluss sowie Betriebs- und Brennstoffkosten. Dann wird der Wert des erzeugten Stroms, d.h. die Stromgutschrift, bestimmt. Diese errechnet sich aus den vermiede¬nen Strombezugskosten und der Einspeisevergütung nach den jeweils gültigen Tarifen. Die Kosten für die Wärme¬erzeugung ergeben sich dann aus der Differenz von Gesamtkosten und Stromgutschrift. Die jährlichen Kosten werden durch die jährlich erzeugte Wärmemenge dividiert und ergeben so die spezifischen Wärmegestehungskosten des Mini-BHKW.

 Wärmegestehungskosten [Euro/kWhthermisch] = (Gesamtkosten – Stromgutschrift) / Wärmemenge

Sollen hingegen die Stromgestehungskosten bestimmt werden, wird bei den Gesamtkosten eine Gutschrift für die erzeugte Wärme berücksichtigt. Diese ergibt sich aus den Kosten, die die Bereitstellung der gleichen Wärmemenge durch das Vergleichssystem verursachen würde.


Stromgestehungskosten [Euro/kWh
elektrisch] = (Gesamtkosten – Wärmegutschrift) / Stromproduktion

 Die Kosten der gekoppelten und der getrennten Wärme- und Stromerzeugung können nun anhand der Wärmege-stehungskosten oder anhand der Stromgestehungskosten miteinander verglichen werden. Es wird deutlich, dass die Energie-Gestehungskosten des Mini-BHKW von der Höhe der Gutschriften, also letztendlich vom Wärme- bzw. Strompreis des Vergleichssystems, abhängen.

 Wartungskosten


Einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit haben auch die Wartungskosten des Mini-BHKW. Viele Hersteller bieten Vollwartungsverträge an, die Wartung in regelmäßigen Intervallen, Störungsbeseitigung und u.U. Überholung oder Austausch des Motors beinhalten. Für den Betreiber bieten Vollwartungsverträge den Vorteil, dass der Betrieb des Mini-BHKW zu festgesetzten Preisen garantiert wird und das Risiko (z.B. Ausfall der Anlage) beim Vertragspartner liegt. Die Wartungskosten werden üblicherweise pro produzierte Kilowattstunde Strom oder pro Betriebsstunde berechnet. Für Mini-BHKW liegen die Wartungskosten etwa zwischen 2 und 5 Cent/kWhel, so dass bei 5.000 Betriebsstunden im Jahr Wartungskosten zwischen 500 und 1.000 Euro jährlich anfallen.



 

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