Vergleich Energiebilanz Kraft-Wärme-Kopplung mit getrentte Erzeugung

Abb. 7: Energiefluss der gekoppelten und getrennten Strom- und Wärmeerzeugung

 

Wesentliche Motivation für den Einsatz von BHKW-Anlagen ist die effizientere und damit umwelt­schonendere Ausnutzung der Brennstoffe verglichen mit der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom (durch Einzelheizung und Kondensationskraftwerk). So sind durch BHKW bei günstigen Randbedingungen Brennstoffeinsparungen von 20-30% möglich.

Mit BHKW wird neben Wärme auch Strom produziert, wodurch ein Teil der Stromerzeugung in Kondensationskraftwerken des öffentlichen Netzes ersetzt wird und dort Brennstoff einspart. Zwar ist der Brennstoffverbrauch für die Wärmeversorgung vor Ort mit einem BHKW größer als mit einem Heizkessel, die notwendige Bewertung der eingesparten Stromproduktion eines Kondensationskraft­werks führt jedoch insgesamt zu einer Brennstoffeinsparung der BHKW-Variante.

Die Ermittlung der Brennstoffeinsparung der BHKW-Systeme (inkl. Spitzenlastkessel) erfolgt durch den Vergleich zwischen der gekoppelten und der getrennten Erzeugung. Dabei werden vollständige Versorgungsalternativen mit gleicher Strom- und Wärmeerzeugung verglichen. Abbildung 7 zeigt exemplarisch den gesamten Energiefluss bei gekoppelter Erzeugung (mit Nahwärmenetz) und getrenn­ter Erzeugung von Strom und Wärme.

Direkter und indirekter Energieaufwand

Neben dem direkten Brennstoffverbrauch der Energiewandler sind für umfassende energetische Ver­gleiche noch weitere Aufwendungen zu beachten:

  • Der indirekte Brennstoffverbrauch für die Bereitstellung der Energieträger wie Förderung, Aufbe­reitung und Transport zum Kunden (vorgelagerte Prozesse).
    • Der Energieeinsatz für die Erstellung der Energieanlagen und deren Entsorgung (etwa für das BHKW, das Kraftwerk und die Kesselanlagen).

Der Energieaufwand für die vorgelagerten Prozesse zur Bereitstellung der Brennstoffe beträgt für typische deutsche Verhältnisse bei Steinkohle 5%, bei Erdgas 8% und bei Heizöl-EL 11% des Ener­gieinhaltes der Brennstoffe, ist also nicht ohne weiteres zu vernachlässigen. Die Aufwendungen für die Erstellung und Entsorgung von Energieanlagen für fossile Brennstoffe sind bei typischen Ausla­stungen gegenüber dem Brennstoffdurchsatz vernachlässigbar.

In BHKW-Plan werden in der momentanen Programmversion nur die direkten Energieaufwendun­gen betrachtet.

Einflussgrößen

Folgende Parameter beeinflussen die Brennstoffeinsparung des BHKW-Systems:

  • Auslegungsdaten des BHKW (Gesamtnutzungsgrad hg , Stromkennzahl s); die BHKW-Einsparung steigt mit hohen Werten von hg und s
  • Auslegungsdaten des Spitzenlastkessels (Energieanteil und Nutzungsgrad hSK); die BHKW-Ein­sparung sinkt mit steigendem Spitzenkessel-Energieanteil und sinkendem hSK
  • Auslegungsdaten des Wärmeverteilnetzes (Verluste, Pumpenstrombedarf); die BHKW-Einsparung sinkt mit steigendem Verteilverluste und steigendem Pumpenstrombedarf

Daten des Vergleichssystems der getrennten Erzeugung (Nutzungsgrad der Heizkessel hHK, elektri­scher Wirkungsgrad des Kraftwerks hKW, Netzverluste); die BHKW-Einsparung sinkt mit steigendem hHK, hKW und sinkenden Netzverlusten

Gekoppelte Erzeugung

Bei der gekoppelten Erzeugung ist neben dem BHKW-Modul der Spitzenlastkessel zu berücksichti­gen. Falls die Wärmeverteilung mittels Nahwärmenetz erfolgt, sind die Wärmeverteilverluste und der Pumpenstrom zu berücksichtigen. Im Fall einer Einzelobjektversorgung wird das BHKW direkt in das Heiznetz des Gebäudes eingebunden, und das Nahwärmenetz entfällt. Stromverteilungsverluste sind ebenfalls zu beachten, wenn etwa ein großes BHKW in das Mittelspannungsnetz einspeist, und Verteilverluste im Niederspannungsnetz auftreten. Bei Einspeisung kleinerer BHKW in das Nieder­spannungsnetz wird der erzeugte Strom in der Nähe des Objektes verbraucht, und die Verteilverluste sind unbedeutend.

Getrennte Erzeugung

Die getrennte Erzeugung erfolgt mit einem Heizkessel und einem Kondensationskraftwerk der öf­fentlichen Versorgung. Auf der Stromseite ist dabei der vom BHKW verdrängte Strom relevant. In BHKW-Plan wird entweder ein Kohlekraftwerk (42%), ein Gas-GuD-Kraftwerk (55%) oder der mittlere Kraftwerkspark der BRD von 1994 (33,7%) als Vergleichskraftwerk ausgewählt. Einem Vergleich gegen Kohlekraftwerke liegt die Annahme zu Grunde, dass neue BHKW langfristig den Neu- oder Ersatzbau von Kondensationskraftwerken für Mittellaststrom beeinflussen. In Deutschland sind davon auch zukünftig hauptsächlich Kohlekraftwerke betroffen. Längerfristig sind auch Gas-GuD-Kraftwerke denkbar, weshalb auch diese Option als Vergleich möglich ist. Hierdurch sind Aussagen zu einem sinnvollen Kraftwerkszubau möglich. Sollen die Auswirkung des BHKW unter heutigen Randbedingungen beurteilt werden, so muss der verdrängte Strom derzeitiger Kraftwerke betrachtet werden. Dies erfolgt näherungsweise mit dem derzeitigen Strommix.

Bei der getrennten Stromerzeugung werden die Netzverluste berücksichtigt, die vor allem auf der Mittel- und Niederspannungsebene auftreten (insgesamt ca. 5% der Erzeugung). In BHKW-Plan wer­den nur die zusätzlichen Netzverluste gegenüber der gekoppelten Variante betrachtet.

Die getrennte Wärmeerzeugung erfolgt mit einem neuen Vergleichsheizkessel. In BHKW-Plan wird der Vergleichsheizkessel zur getrennten Wärmeerzeugung exakt an der gleichen Stelle platziert wie das BHKW. Im Fall einer Nahwärmeversorgung wird also die ungekoppelte Variante ebenfalls mit Heizzentrale und Wärmenetz untersucht und der Heizkessel im Heizwerk platziert. In diesem Fall wird eine Variante mit Einzelheizungen in jedem Gebäude nicht betrachtet.

1.4 Schadstoffbilanz

1.4.1 Emissionen von Blockheizkraftwerken

Maßstab für die Bewertung des Schadstoffgehaltes von Abgasen sind die Werte der TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft, 1986). Die TA-Luft legt lediglich Richtwerte für Genehmigungsbehörden fest, wovon bei der Genehmigung nach oben und unten abgewichen werden kann. Genehmigungsbehörden können je nach Bundesland oder Landkreis die Gewerbeaufsichtsäm­ter, die Umweltämter oder andere Stellen sein.

Die TA-Luft wurde 1986 festgelegt und im Jahr 1992 durch Angaben von verminderten Emissionswerten konkretisiert, die durch technische Entwicklungen inzwischen erreichbar waren oder als Zielwerte anstrebbar geworden waren (Konkretisierung der Dynamisierungsklauseln).

Die TA-Luft und für größere Anlagen die Großfeuerungsanlagenverordnung gelten für genehmi­gungsbedürftige Anlagen (siehe 4. Verordnung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes von 1985).

Dies sind u.a.:

  • Verbrennungsmotoren ab einer Feuerungswärmeleistung von 1 MW (Summe der thermischen Leistungen aller Module, ohne Spitzenkessel)
  • Gasturbinen (ohne Leistungsbegrenzung)
    • Feuerungsanlagen für Heizöle ab 1 MW, für Gase ab 10 MW Feuerungsleistung

Für nicht genehmigungsbedürftige kleinere Anlagen ist gemäß der Verordnung über Kleinfeuerungs­anlagen (1. BImSchV vom 15.7.1988) lediglich festgelegt, dass die Emissionen entsprechend dem Stand der Technik zu reduzieren sind. In der Praxis werden also auch kleinere BHKW-Anlagen ent­sprechend der TA-Luft behandelt.

Üblicherweise werden bei Genehmigungen derzeit Schadstoffgrenzwerte von 1/2-TA-Luft angesetzt, d.h. die Vorgabewerte der TA-Luft aus dem Jahr 1986 werden bereits halbiert. Diese Werte werden von vielen relevanten Herstellern eingehalten, teilweise werden auch niedrigere Werte garantiert.

In der momentanen Programmversion BHKW-Plan sind die Emissionswerte nur für die Brennstoffe Erdgas und Heizöl verfügbar.

Tab. 3: Schadstoffgehalt im Abgas nach TA-Luft und Konkretisierung der Dynamisierungsklauseln

 

Schadstoffgehalt im Abgas in mg/m3

 

Staub/Ruß

NOx

CO

NMCH

SOx

Verbrennungsmotoren

Otto-Gasmotor   4Takt
2Takt

Diesel-Gasmotor

Dieselmotor   <1MW
Dieselmotor   >1MW

 




50

80
50

 

500
800

500

1000
1000

 

650
650

650

650
650

 

150
150

150

150
150

 

--
--

300  *)

300  *)
300  *)

Gasturbinen

 

< 60 000 m3/h Abgas
> 60 000 m3/h Abgas
< 100 MW Erdgas/HEL
> 100 MW Erdgas/HEL

 

Rußzahl

4
2

 

 



150/200
100/150

 

 

100
100
100
100

 

 

150
150
150
150

 

 

*)
*)
*)
*)

Feuerungsanlagen

Erdgas  10-100 MW

HEL      1 - 50 MW

HS         1 - 50 MW

<5 MW
>5 MW
<10 MW
>10 MW

 

5
Rußzahl:
1

80
50

 

200

250

300

 

100

170

170

 

150

150

150

 

35

1700

850

NMCH: nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe

*)  entsprechend dem S-Gehalt des Brennstoffs nach DIN 51603/1

Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung

Neben motorischen Maßnahmen kommen folgende Systeme zur Abgasreduktion zum Einsatz:

  1. 3-Wege Katalysator mit Lambda=1 Regelung
  2. Magermotoren mit Oxidationskatalysator (Oxy-Kat)
  3. SCR-Katalysator zur NOx Reduktion (bei größeren Dieselanlagen)
  4. Rußfilter (Rußnachbrennfilter)

 

Mit 3-Wege-Katalysatoren können die geringsten Emissionen erzielt werden. Hier ist zu beachten, dass im Laufe der Betriebszeit die Reduktionswirkung nachlässt und nur bei sorgfältiger Wartung des Katalysators die geforderten Emissionswerte sichergestellt werden können. Die Lambda=1 Regelung erfordert einen recht hohen Aufwand.

Auch Magermotoren in Verbindung mit Oxidationskatalysator können die Anforderung nach 1/2-TA-Luft erfüllen. Dieses Konzept ist unempfindlicher gegenüber Verunreinigungen und setzt sich zunehmend vor allem bei größeren Gasmotoren durch.

Dieselmotoren mit hohen Verdichtungen haben vor allem relativ hohe NOx-Emissionen. Diese kön­nen durch SCR-Katalysatoren deutlich reduziert werden, was aus wirtschaftlichen Erwägungen je­doch nur bei größeren Anlagen in Frage kommt.

Zur Einordnung der Relevanz von BHKW-Motoremissionen werden hier noch die Emissionen für Dieselmotoren von Autos nach der EURO-II Norm betrachtet. Dabei zeigt sich, dass Gasmotoren, die 1/2-TA-Luft einhalten, nur 1/10 der NOx-Emissionen von Dieselmotoren des Straßenverkehrs emittie­ren. Die CO und die NMHC-Emissionen sind bei den stationären Motoren ohnehin beherrschbar /Kusterer, 1995/.

1.4.2  Emissionsvergleiche

Die Emissionsvergleiche der BHKW-Systeme mit Anlagen zur getrennten Erzeugung (Heizkessel + Kondensationskraftwerk) basieren auf den Brennstoffbilanzen (Energiebilanz) der kompletten Ver­sorgungssysteme. Der Brennstoffverbrauch der Energiewandler wird mit Emissionsfaktoren multi­pliziert, woraus sich die Emissionen der Varianten ergeben.

Folgende Einflussgrößen sind von Bedeutung:

  • Der Wirkungsgrad der Energiewandler (der Brennstoffverbrauch der einzelnen Anlagen hat einen direkten Einfluss auf die Höhe der Emissionen).
  • Der eingesetzte Brennstoff (Erdgas ist relativ "sauber" verglichen mit Kohle oder Heizöl und ver­ursacht weniger CO2, keinen Staub und kein SO2).
  • Der Typ des Energiewandlers (Verbrennungsmotoren haben höhere NOx-Emissionen als Gasturbi­nen oder Heizkessel; Dieselmotoren haben andere Emissionswerte als Ottomotoren).
    • Die Art der Schadstoffreduzierung (etwa Katalysator bei Motoren).

Direkte und indirekte Emissionen

Direkte Emissionen entstehen am Ort der Nutzenergieerzeugung (etwa im Heizkessel oder im Kraft­werk). Darüber hinaus entstehen indirekte Emissionen bei der Förderung, der Aufbereitung und dem Transport der Brennstoffe zum Verbraucher sowie bei der Erstellung der Energieanlagen. Für umfas­sende Beurteilungen der Umwelteffekte sind beide Emissionsarten zu berücksichtigen (Gesamtemissionen der Systeme). Dies ist etwa für das Treibhausgas CO2 oder die das Waldsterben verursachenden Schadstoffe NOx und SO2 eine notwendige Betrachtung.

 

In BHKW-Plan werden in der momentanen Programmversion nur die direkten Emissionen betrach­tet. Es erfolgt keine Unterscheidung zum örtlichen Auftreten der Schadstoffe (etwa vor Ort beim BHKW oder weiter entfernt beim Großkraftwerk).

Emissionen des BHKW-Systems

Die Emissionen setzen sich zusammen aus den Emissionen des BHKW und des Spitzenlastkessels. Die Emissionsfaktoren bezogen auf den Brennstoffeinsatz sind in der Datenbank der BHKW-Module bzw. der Spitzenkessel angegeben.

Emissionen der getrennten Erzeugung

Die Emissionen der getrennten Erzeugung setzen sich aus den Emissionen des Heizkessels und des Kondensationskraftwerks zusammen. In BHKW-Plan kann als Vergleichskraftwerk entweder ein modernes Kohlekraftwerk mit moderner Abgasreinigung (42%), ein modernes Gas-GuD-Kraftwerk oder der mittlere Kraftwerksmix der BRD von 1994 (33,7%) ausgewählt werden.

Einem Vergleich gegen Kohlekraftwerke liegt die Annahme zu Grunde, dass neue BHKW langfristig den Neu- oder Ersatzbau von Kondensationskraftwerken für Mittellaststrom beeinflussen. In Deutschland sind davon auch zukünftig hauptsächlich Kohlekraftwerke betroffen. Längerfristig sind auch Gas-GuD-Kraftwerke denkbar, weshalb auch diese Option als Vergleich möglich ist. Hierdurch sind Aussagen zu einem sinnvollen Kraftwerkszubau möglich. Sollen die Auswirkung des BHKW unter heutigen Randbedingungen beurteilt werden, so muss der verdrängte Strom derzeitiger Kraft­werke betrachtet werden. Dies erfolgt näherungsweise mit dem derzeitigen Strommix.

Als Vergleichsheizkessel wird ein moderner Öl oder Gaskessel verwendet. Die Emissionsfaktoren sind in der Datenbank angegeben.

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