1.
Blockheizkraftwerke
2.
BHKW mit Dampf- oder Gasturbine
3.
BHKW Verbrennungsmotoren
4.
Mini-BHKW - Mikro-BHKW und Nano-BHKW
5.
BHKW Stirling Motor
6.
Energiegesetze und Wirtschaftlichkeit
7.
BHKW-Generator und einfache
Berechnungsformeln
BHKW's
sind kompakte Anlagen, die Strom und Wärme erzeugen, also eine
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) darstellen und bestehen aus
Antrieb und dem Generator, um mechanische Energie in
elektrische Energie umzuwandeln.
Es gibt
Synchron- und Asynchrongeneratoren, wobei der Synchrongenerator
aufwendiger in der Bauweise ist, dafür aber eine konstante
Stromspannung liefert. Vorlauf und Rücklauf für die
Nutzwärme aus dem BHKW sind vorgesehen. Der Abgaswärmetauscher dient der
Rückgewinnung von Abwärme aus den Abgasen. Schließlich ist ein
Katalysator eingebaut, der die Abgase vor dem Rücklauf in den Motor
wieder reinigen soll.
Es gibt BHKW's mit eingebautem
Schalldämpfer aufgrund der Lärmentwicklung im laufenden Betrieb.
Die Lärmentwicklung stellt eine grundlegendes Problem vor der Anschaffung. Anlagen mit
Verbrennungsmotoren können mit herkömmlichen Energieträgern und mit
regenerativen Energiequellen betrieben werden. Durch die Erzeugung
von Wärme und Strom in BHKW’s werden Brennstoffe und Energien
gespart.
Insgesamt
umweltschonend steuert eine Vielzahl an kleineren Anlagen zur
Dezentralisierung der Stromerzeugung bei. Deshalb werden BHKW’s
gesetzlich durch das Erneuerbare Energien Gesetz - EEG, das
Erneuerbare Wärme Gesetz - EEW und die Kraft Wärme
Kopplung mit dem KWK Gesetz gefördert.
Nach dem
Stromsteuergesetz sind Betreiber von BHKW’s bis zu einer Leistung
von 2.000 kW elektrischer Energie auch von der
Stromsteuer befreit.
Wolfgang Suttor
vom Fraunhofer Institut sagt hierzu, daß eine Steuerentlastung
bisher keinen Investitionsschub bei der KWK auslösen konnte.
Berechnungen der EU-Kommission haben ergeben, daß eine verstärkt
dezentrale Stromerzeugung Kostenvorteile von 25 Prozent gegenüber
einer zentralen Versorgung einbringt. Dezentrale Versorgung hat den
Vorteil, daß lange Versorgungsnetze unnötig werden.
Werden die für den
Umweltschutz entscheidenden CO2 Emissionen eines BHKW mit dem eines
herkömmlichren Kraftwerks mit Heizkessel in der BRD verglichen, so
ergibt sich eine Reduktion für das BHKW um 29 Prozent. Abhängig ist
das von der Energiequelle, die genutzt wird- Wobei herkömmliche Kraftwerke
unterschiedlichen CO2
Ausstoß je nach Heizkessel haben, so ergibt sich ein Unterschied
zwischen Heizöl- oder Erdgaskessel. Bis 2007 waren rund
20.000 BHKW’s in der BRD am Netz. Diese haben zusammen eine
Leistung von 4.500 MegaWatt.
Anhand der gesamten Stromerzeugung
in der BRD nimmt die Versorgung durch Kraft-Wärme-Kopplung
bisher nur einen Anteil von etwa 12 Prozent ein. Laut
KWK-Gesetz sollen bis 2020 rund 25 Prozent erreicht werden. Die
Energieeinsparung durch Kraft-Wärme-Kopplung hängt jedoch immer noch
von der jeweiligen Technik ab. BHKW’s werden
nach Art ihrer Verbrennungskraftmaschinen unterschieden in
Motor-BHKW’s und Gasturbinen-BHKW’s.
2.
BHKW mit Dampf- oder Gasturbine
Gas - und Mikrogasturbinen basieren
auf der Turboladertechnologie, bekannt aus dem Fahrzeugbau und bei
Hilfsmotoren aus dem Flugzeugbau. Turbolader bedeutet eine
Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Verdichter im
Ansaugtrakt. Eingesaugte Verbrennungsluft wird verdichtet und
anschließend durch die heißen Abgase vorgewärmt. Diese Luft und der
gleichfalls verdichtete Brennstoff, wie Erdgas oder andere
methanhaltige Gase, werden gemeinsam verbrannt. Die dabei
austretenden Abgase treiben die Turbine an, die auf derselben Welle
montiert ist wie der Generator, deshalb Einwellenanlage genannt. Ohne ein
zwischengeschaltetes mechanisches Getriebe bewirkt jede Umdrehung
der Turbine eine Umdrehung des Generators, das heißt dieser arbeitet
mit 70.000 – 100.000 Umdrehungen in der Minute. Der dabei gewonnene hochfrequente Strom mit 1.600 Hz wird elektronisch in einem
zweifachen Umwandlungsvorgang zu Wechselstrom mit 50 Hz und 400
Volt.
Die Abwärme der Abgase kann als
Prozesswärme zur Heizenergie- und Warmwasserversorgung und über eine
Absorptionskältemaschine zur Erzeugung von Kälte genutzt werden.
Die elektrische Leistung der „kleinen“ Mikrogasturbinen liegt
dabei im Bereich von knapp 30 – 200 kW.
Damit eignen sie sich diese BHKW's
für klein- und mittelständische Unternehmen oder Stadtwerke zur
dezentralen Stromerzeugung. Typische Einsatzorte sind z. B.
Krankenhäuser, Altenheime, Gartenbaubetriebe, Hallenbäder, große
Schulkomplexe, Brauereien oder die Keramikindustrie. Stärken der
Mikrogasturbinen sind geringe Wartungszeiten, da es weniger bewegte
Teile gibt als in Motorheizkraftwerken.
Die Anlagen zeigen ein gutes
Teillastverhalten, das heißt auch bei niedrigeren Drehzahlen bleibt
die Stromerzeugung nahezu gleich. Nachteil sind höhere
Investitionskosten und ein niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad als
bei einem Motorheizkraftwerk. Verursacht durch den Verdichter, der
einen Brennstoff auf den notwendigen Druck von 3,5 bis 8 bar bringt.
Ausgehend von Otto- und
Dieselmotoren sind motorbetriebene Blockheizkraftwerke eine weit
entwickelte Technologie, was auch für Klein- und
Miniblockheizkraftwerke gilt. Zunächst wurde für deren Antrieb
Erdgas, Flüssiggas und Heizöl verwendet, mittlerweile lassen sich
die Kraftwerke auch mit Pflanzenöl oder anderen Biomassen betreiben.
Der Energieträger wird dabei in einem
thermischen Kreisprozeß genutzt. Zunächst wird daraus mechanische
Energie erzeugt, die wie schon erwähnt zu großen Teilen in elektrische Energie
umgewandelt wird.
Otto- und Dieselmotoren bringen jedoch
hohe Wartungskosten mit sich, die vor allem durch den Ölwechsel
verursacht werden. Positiv ist ein hoher Wirkungsgrad. Insgesamt
können 80-90 Prozent der erzeugten Energie bei BHKW’s mit
Motorantrieb genutzt
werden.
Bei einem konventionellen
Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung wird ein Arbeitsgewinn
gewonnen, indem eine bestimmte Luftmenge bei niedriger Temperatur
komprimiert, diese anschließend durch eine schnelle Verbrennung
erhitzt und sie danach bei hoher Temperatur expandiert. Das gleiche
Prinzip der Wärmekraftmaschine liegt auch dem Stirlingmotor
zugrunde. Ein Unterschied beim Stirling ist, daß die Antriebsenergie außerhalb des
Motors zugeführt wird.
4. Mini-BHKW -
Mikro-BHKW und Nano-BHKW
Für die
Anwendung in Ein- bis etwa Dreifamilienhäusern kommen meist
BHKW-Module der Nano-BHKW Klasse in Frage. Diese Kleinst-BHKW
unterscheiden sich stark von den größeren Mikro-BHKW in Bauform und
Technik und bilden daher eine eigene Klasse
unterhalb der Mikro-BHKW. Nano-BHKW sind nach der Definition BHKW
mit einer elektrischen Leistung von bis zu 2 kW. Mikro-BHKW hingegen
verfügen über eine elektrische Leistung von mehr als 2 kW bis zu 15
kW.
Etwas größere BHKW von mehr als 15 kW bis 50 kW
elektrischer Leistung werden hingegen als Mini-BHKW
klassifiziert.
Im Gegensatz zu großen BHKW können Kleinst-BHKW allgemein in Serie
produziert werden.
Mikro-BHKW’s und Nano-BHKW’s sind
besonders effizient im gebäudeintegrierten Einbau, weil die Energie
nicht lange Wege zurücklegt. Der Strombezug aus dem öffentlichen
Stromnetz ist vermeidbar, wenn die Stromproduktion des
Blockheizkraftwerkes dafür ausreicht. Aggregate dieser BHKW’s sind
teilweise nicht größer als zwei handelsübliche Waschmaschinen
zusammengenommen. Ab einem Modulpreis von 10.000 Euro werden BHKW’s
im unteren Leistungsbereich etwa angeboten. Die Lebensdauer der in
Serie produzierten Motoren reicht von 40.000 – 60.000
Nutzungsstunden und erreicht einen Zeitspanne von 10-20 Jahre. Das
ist immer in Abhängigkeit zur jährlichen Nutzung zu
sehen.
Die
bauliche Integration und Verortung dieser kleineren BHKW's in
bestehende Gebäude oder in einen Neubau ist zumeist im Technikraum
im Keller zu suchen. Mit der technischen Weiterentwicklung und der
größenmäßigen Anpassung an den häuslichen Bedarf besteht die
Möglichkeit auf Design und Architektur stärker Rücksicht zu nehmen,
um das BHKW im Haus unterzubringen. Bisher wurden diese Kraftwerke oft nur von
ihrer Leistung aus betrachtet.
Teilweise
laufen Motoren auch mehr als 80.000 Betriebsstunden. Anders als bei den
größeren BHKW mit klassischem Verbrennungsmotor kommen in der
Nano-BHKW Klasse innovative Konzepte wie Brennstoffzellen und
die Stirlingmotoren zum Einsatz.
Wärmekraftmaschine ist nach J. und R.Stirling aus dem Jahre 1816 benannt
und arbeitet mit periodischer Erwärmung und Abkühlung des
Arbeitsgases. Somit wird auch hier Wärmeenergie in Bewegungsenergie
umgewandelt. Der Stirlingmotor kann mit jedem beliebigen Brennstoff
betrieben werden. Der Motor läuft leise, weil dieser kein Explosionsmotor ist.
Er gilt als
extrem schadstoffarm wegen der äußeren Verbrennung. Das bedeutet
mindestens 10 Mal niedrigere
Schadstoffemissionen gegenüber Gas-Ottomotoren mit Katalysator. Bei
Nutzung von Sonnenenergie ist der
Stirlingmotor sogar frei von Schadstoffen.
Der Vorteil ist,
Rückstände aus der Verbrennung können nicht in das Innere des
Stirlingmotors gelangen, was zu geringeren Verschleiß und damit zu
langen wartungsfreien Laufzeiten führt. Bei Stirlingmotoren sind
Wartungsintervalle von 5.000 bis 8.000 Stunden zu erwarten.
Das
Stirling-Blockheizkraftwerk ist ideal, um fossile Brennstoffe unter
Umweltgesichtspunkten effektiver zu nutzen und ermöglicht erstmals
die Kraft-Wärme-Kopplung mit fester Biomasse in Form von Pellets und
Holzschnitzel in diesem Leistungsbereich der Kleinst-BHKW's. Voraussetzung für die Rentabilität
eines Stirlingmotors ist ausreichend Strombedarf und eine
Laufleistung von mindestens 5.000 Stunden im Jahr.
Mini-Blockheizkraftwerke sind wie
erwähnt kleine, kompakte und anschlussfertige Anlagen im Leistungsbereich von
etwa 10 bis 50 kW elektrischer Energie. Diese energieeffizienten und
kostengünstigen Anlagen rechnen sich im Allgemeinen bei größeren
Gebäudekomplexen.
Anzumerken bleibt, daß Dank verbesserter Methoden
die CO2-Emissionen der Blockheizkraftwerke (BHKW) um 34
Prozent geringer sind als bei Erzeugung von Strom und Wärme auf andere
Art.
Die Ziele des KWK-Gesetzes, das seit
01.04.2002 in Kraft ist und zum 01.01.2009 das zweite Mal eine
Novellierung fand, ist der „befristete Schutz, die Förderung, die
Modernisierung und der Neubau von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sowie
die Markteinführung der Brennstoffzelle sowie die Förderung des Neu-
und Ausbaus von Wärmenetzen".
Die
Förderung der KWK-Technologie erfolgt durch feste Vergütungssätze
für die eingespeiste elektrische Energie in das öffentliche
Versorgungsnetz. Bis zur Sommerpause 2012 soll die nächste
Novellierung des KWK-Gesetzes durch Bundesrat und Bundestag
abgeschlossen sein, wie es heißt.
Ein
Anreiz durch das KWK-Gesetz besteht vor allem für Anlagen bis 50 kWel.
Wirtschaftlichkeit entsteht durch Vermeidung des Strombezugs.
Dazu kommt seit 01.01.2009 der Zuschlag für den selbst genutzten
Strom. Damit haben sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen
gerade für kleine KWK-Anlagen deutlich verbessert.
Das
novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist seit
01.01.2009 in Kraft. Es regelt den vorrangigen Anschluß von Anlagen
zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien und aus Grubengas.
Das EEG hat ein übergeordnetes politisches Ziel, das in Paragraph 1
festgelegt ist: Das Gesetz verfolgt das Ziel, den Anteil
Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf
mindestens 30 Prozent und danach kontinuierlich weiter zu erhöhen.
Die
Kapitalkosten für das BHKW werden von der Abschreibungsdauer und der
Wahl des gewählten Zinsfußes beeinflusst. Nicht zu vergessen ist die
gewählte Größe des Moduls. Die Preise für das Modul liegen
heutzutage zwischen 7.000 und 40.000 Euro.
Blockheizkraftwerke sind aus
wirtschaftlicher Sicht Strom
und Wärme erzeugende Anlagen. Die thermischen und
mechanischen Energien, die als Primärenergien entstehen,
werden dabei genutzt, bzw. in elektrische Energie umgewandelt. Der
Wirkungsgrad ist entsprechend in thermischen, elektrischen
und Gesamtwirkungsgrad unterteilt. Kosten eines Blockheizkraftwerkes
hängen dann von Faktoren ab, wie Primärenergienutzung,
Wirkungsgrad und Hersteller.
Die
Stromkennzahl ist wichtig, um die zuschlagfähige Strommenge
nach KWK-Gesetz zu bestimmen. Die Stromkennzahl ergibt sich
aus der Division des elektrischen Wirkungsgrades mit dem thermischen
Wirkungsgrad.
So
kostet ein Blockheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von
5,0 bis 5,3 KW und einer thermischen Leistung von 10,3 bis 10,5
KW bei einem Wirkungsgrad von 89 Prozent rund 16.000 Euro. Es
können drei Brennstoffe verwendet werden.
Ein
anderes produziert 1,3 bis 4,7 KW elektrische Energie und 4,0 bis
12,5 KW thermische Energie bei einem Wirkungsgrad von über 90
Prozent und kostet 20.000 Euro. In diesem Beispiel sind zwei
Brennstoffe einsetzbar.
Ein
drittes Produkt leistet bei einem Preis von 28.000 Euro 1,5 bis 3,0
KW elektrische und 4,5 bis 10,5 KW thermische Energie bei einem
einzusetzendem Brennstoff und einem Wirkungsgrad von 88 Prozent.
Die thermischen Energien, die
Abwärmen, die bei der Verbrennung bzw. Kondensation der Energieträger
entstehen, werden für Warmwasserbereitstellung und Beheizung
genutzt. Dabei hängt es von der Leistung des Geräts ab, ob ein
Blockheizkraftwerk für das jeweilige Gebäude ausreicht oder
zusätzliche Wärmeenergie zugeführt werden muß.
Die mechanische Energie wird
wie schon mehrfach erwähnt meistgehend in elektrische Energie, das heißt in Strom
umgewandelt. Die Energie treibt
die Generatoren an, die den Strom erzeugen. Der BHKW Generator
ist unmittelbar mit den Verbrennungsmotoren oder Dampfmotoren verbunden.
Die elektrische
Leistung Pel
beschreibt
wie viel elektrische Energie pro Zeiteinheit von dem BHKW produziert
wird. Entscheidend ist die Nettoleistung, die anzeigt wie viel
Energie tatsächlich vom BHKW ins Stromnetz eingespeist wird.
Bei BHKW’s und Mini-BHKW’s wird die
Leistung immer in Kilowatt angegeben. Am Stromzähler werden
die Angaben in Kilowatt pro Stunde angezeigt. Dieser Wert
entsteht durch Multiplikation der Leistung mit der Betriebszeit.
Liegt zum Beispiel Leistung von 5 KW über 3 Stunden an, so beträgt
die Arbeit 15 KW, die Grundlage für die Vergütung ist.
Einfacher ist es jedoch, die
elektrische Leistung mit einer so genannten Stromzange zu
ermitteln. Dazu muß der gemessene Strom I durch
Multiplikation der Spannung U in die Wirkungsleitung
umgerechnet werden.
Für die von Mini-BHKW’s überwiegend
verwendete Leistungseinspeisung auf der 400-V-Drehstromebene mit 3
Phasen ergibt sich eine Gleichung.
Der Leistungsfaktor
cos
φ
ist eine Apparatekonstante des Generators und zumeist in den
technischen Daten angegeben, was auf dem Gerät angebracht ist.
Thermische Leistung
ist der Begriff zur Beschreibung der vom BHKW abgegebenen Nutzwärme.
Bei Mini-BHKW’s wird diese Leistung überwiegend in der Einheit kW
ausgegeben. Aus diesem Grund sind Bezeichnungen wie „Wärme- oder
Heizleistung“ ebenfalls gebräuchlich.
Zur Bestimmung der thermischen
Leistung müssen die Temperaturen des Kreislaufwassers vor und hinter
dem BHKW sowie der Wasservolumenstrom Vw gemessen werden.
Die Temperatur des
erwärmten Wassers am Austritt des BHKW wird dabei als
Vorlauftemperatur TVL
bezeichnet. Entsprechend wird die Temperatur des vom
Verbraucher zurückfließenden und in das BHKW eintretenden
Kreislaufwassers Rücklauftemperatur TRL
genannt.
Zusammen mit den Stoffdaten Dichte
p und spezifische Wärmekapazität c des Kreislaufwassers
ergibt sich die thermische Leistung
In der Regel werden hierfür
Wärmemeßzähler zur Erfassung der thermischen Leistung verwendet. Bei
diesen Geräten werden Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie der
Volumenstrom gemessen und die thermische Leistung der Gleichung
berechnet. Zusätzlich wird die Größe mit der Meßzeit multipliziert,
woraus die Wärmemenge in Kilowattstunden resultiert.
Je nach Ausbaustufe werden neben der
Wärmemenge auch die Vor- und Rücklauftemperaturen, der Volumenstrom
und die thermische Leistung an einem zentralen Display angezeigt.
Zudem ist häufig eine Fernübertragung der Daten möglich, was zumeist
über M-Bus erfolgt. Ein solches Verfahren eignet sich dann
für Facility Management im betrieblichen Ablauf.
Eine Übertragung mit Meter-Bus
erfolgt seriell auf einer verpolungssicheren Zweidrahtleitung und
dient der Verbrauchsdatenerfassung. Der M-Bus war ursprünglich in
der Europäischen Norm EN1434 für Wärmezähler beschrieben.
Mittlerweile wurde der M-Bus eigenständig in der EN13757
festgehalten. Diese Norm behandelt Kommunikationssysteme für Zähler
und deren Fernablesung.
Bei der Ermittlung genauerer Meßdaten
sei durch Hinzufügung jedes Mal auf die zuvor erwähnten Formeln
verwiesen.
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