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Technische Auslegung und wirtschaftliche Kriterien von Motoren- und Blockheizkraftwerken (MHKW/BHKW) für Biomasse

1. Dezentrales MHKW als wirtschaftliches Kraft-Wärme-Kopplungs-Konzept

Eigenerzeugung ist billiger als Fremdbezug

Mit dem Fortschritt der Entwicklungen für preiswerte Verbrennungsmotoren und Kraftwerkssoftware ist in geeigneten Fällen die dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme in Eigenregie billiger als der Fremdbezug von Strom aus dem öffentlichen Netz, weil:

- der im eigenen MHKW eingesetzte Brennstoff zur Erzeugung

  von Strom & Wärme bis zu 90% nahezu ohne Verteilerverluste

  vor Ort besser genutzt wird

- die Gebühren für den Strom aus dem öffentlichen Netz wegfallen.

Der Preis für die Lieferung von Strom aus dem liberalisierten Strommarkt umfasst nämlich nicht nur den Arbeitspreis für die Wirkarbeit, sondern die Gebühren für:

- den Bezug je nach Netzebene 1 – 7

- die Nutzungsstunden des Netzes (3000, 5000, 7000, 8000 h/a)

- die Entgelte der Netznutzung

  (Bereitstellung, Verluste, Dienstleistungen, etc.)

- Abgaben und Steuern, die beim MHKW–Betrieb zum Großteil

  wegfallen

Wirtschaftliche Lösung

Die wirtschaftlichste Lösung des dezentralen MHKW-Konzeptes ist daher:

- die Produktion der Grundlast des Strom- und Wärmebedarfes

   in Eigenregie

- die Abdeckung des Stromspitzenbedarf durch den

  Bestpreisanbieter

- der vom MHKW produzierte Überschuss an Strom und Wärme

  wird ins öffentliche Netz abgegeben bzw. verkauft.

Fazit

Das MHKW als das innovative KWK-Betriebssystem ist

die preisgünstige technische Lösung für den Einsatz von alternativen Motorbrennstoffen aus Biomasse mit vergleichbar hohen Nutzungsgraden zur Erzeugung von Ökostrom und Biowärme.

(Sofern vom Hersteller als auch  vom Betreiber die entsprechenden Voraussetzungen dafür vorliegen!!!)

Bio-Brennstoffe

Flüssige Biomasse aus Pflanzenölen

z. B. Rapsöl, Sonnenblumenöl, Sojaöl, Palmenöl, Biodiesel, etc.

Gasförmige Biomasse

z. B. Holzgas, Biogas, Deponiegas, Klärgas

2. Die Funktion des MHKW/BHKW nach dem wirtschaftlichen KWK–Prinzip

Kraft-Wärme-Kopplungs–Prinzip

Das Motorheizkraftwerk (MHKW) bzw. Blockheizkraftwerk (BHKW), ein kompaktes Modul mit einem Verbrennungsmotor (Diesel- oder Ottomotor) treibt einen Generator an und erzeugt gleichzeitig elektrischen Strom und Wärme.

Die anfallende Wärme des Motors (Kühlwasser, Abgase) wird, vergleichbar wie beim Auto, nicht ungenützt an die Umwelt abgegeben, sondern über mehrere Wärmetauscher direkt ins Heizsystem (Raumwärme, Prozesswärme) eingespeist.

Eine Regel- und Steuerungsanlage (Kraftwerkssoftware) überwacht alle Funktionen im System.

Sie sorgt dafür, dass die Strom- und Wärmeproduktion, vollautomatisch ohne Aufsicht im Dauerbetrieb, den vorgegebenen Bedarf abdeckt.

Der dezentrale Einsatz des MHKW–System (Kraft-Wärme-Kopplung) nutzt mit der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme effizient den Brennstoff,

spart bei geringeren Erzeugungsverlusten Kosten und Energie und entlastet hiermit unsere Umwelt von Schadstoff-Emissionen.

MHKWs erreichen Gesamtnutzungsgrade bis über 90 %.

> Schema KWK

3. Die richtige Auswahl des MHKW-Systems je nach Anforderungen

3.1 MHKWs-Motorentechnik mit hohen Standzeiten

Für den Dauerbetrieb im MHKW gelangen ausschließlich geeignete und langjährig getestete Industriemotoren bzw. Schiffsmotoren mit hohen Standzeiten zum Einsatz.

Während PKW-Motoren auf eine Betriebsdauer von 3.000 - 4.000 Stunden (das entspricht einer Fahrleistung von etwa 200.000 km) kommen, erreichen die MHKWs-Antriebsmotoren bis zum 1. Motorservice mehr als 30.000 Stunden.

Der Grund für die größere Lebensdauer ist kontinuierlicher Betrieb bei gleich bleibender Last.

3.2 Der richtige Brennstoff für den geeigneten Motor

Als Energieträger werden folgende Brennstoffe verwendet:

a) Mineralische Brennstoffe für Diesel- oder Ottomotoren

z. B. Erdgas, Flüssiggas (Propan, Butan) , Heizöl (Diesel) als auch

b) Alternative Brennstoffe aus erneuerbaren Energien

z. B. Biodiesel, Rapsöl, Holzgas, Biogas, Deponiegas, etc.

Für Biobrennstoffe werden adaptierte Diesel-, Otto-Gas- oder Mehrstoffmotoren mit Zündstrahltechnik eingesetzt.

3.3 Nach Betriebsweise (Steuerungssystem)

- wärmegeführter Vorrangbetrieb

- stromgeführter Vorrangbetrieb (oder auch kombiniert)

3.4 Nach Betriebsart:

- Netzparallelbetrieb

   (Betriebsführung mit dem öffentlichen Netz)

- Inselbetrieb

   (eigenständiges Netz)

- Notstrombetrieb

  (vom Netzparallelbetrieb umschaltbar auf Inselbetrieb)

3.5 Nach wirtschaftlicher Leistungsgröße

Die untere Leistungsgrenze für MHKWs liegt bei ca. 3 KWel (elektrisch) und reicht im oberen Leistungsbereich bis zu mehreren 1000 KW el pro Modul.

3.6 MHKWs mit Systemkombinationen

MHKW-Module (Einheit von Motor und Generator) werden zumeist in Kombination mit einer zusätzlichen Kesselanlage errichtet, um preisgünstig die Spitzenleistung für Wärme liefern zu können.

Die hohen Temperaturen der Abgase (mehr als 500 °C ) können selektiv über Wärmetauscher zur Dampferzeugung,

in Absorptionskälteanlagen zur Erzeugung von Kälte oder in

Niedertemperatur–Absorbern genutzt werden.

Weiteres sind MHKWs mit Druckluftkompressoren oder Wärmepumpen kombinierbar. Dadurch kann der Umweg über die Stromerzeugung und den nachgeschalteten Elektromotor entfallen.

4. Öffentliche KWK-Förderung der MHKW-/ BHKW-Umwelttechnik

Gründe für öffentliche KWK-Förderung!

Der MHKW bzw. BHKW-Betrieb nutzt für die Produktion von Strom und Wärme bis über 90 % der eingesetzten Brennstoff-Energie.

Einsparung von Primärenergie

Gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom im Kraftwerk und Wärme im Kessel beträgt die Einsparung durch das KWK–Prinzip ca. 37% der Primärenergie.

Beim dezentralen Einsatz des MHKW wird Strom und Wärme unmittelbar am Ort des Verbrauchers genutzt. Daher sind weitere Energieverluste über das Verteilersystem vermeidbar.

Emissionsentlastung

Dieser rationelle Energieeinsatz führt zu einer Emissionsentlastung der Umwelt, weil mit diesem MHKW-Energiesparsystem „pro erzeugter Nutzenergie„ weniger Primärenergie benötigt wird.

Reduktion des Treibhauseffektes CO2

Brennstoffe aus Erdgas sowie erneuerbaren Energien sind ein Beitrag zur Reduktion des Treibhauseffektes CO2:

z. B: 1 l Dieselkraftstoff durch Biodiesel ersetzt vermindert die Emission von Klimagasen um 3,5 bis 4 kg CO2-Äquivalent je Liter.

Die Abgasreinigung

je nach Erfordernis gemäß TA-Luft oder ½ TA-Luft.

Methoden zur Reduktion von NOx-Emissionen sind:

Bei Dieselmotoren

- mit zusätzlichen Einsatz von Russfiltern

Bei Ottomotoren

- Magerbetrieb und Oxidations-Katalysator

- Lambda-Regelung mit 3-Wegekatalysator

- SCR-Katalysator

Emissionsvergleich bzgl. NOx

Mit Hilfe der ausgereiften Katalysator- und Motortechnik werden hierbei weniger Schadstoffe (NOx, CO, CH, SO2 und Staub) und vor allem weniger CO2 gegen dem Treibhauseffekt emittiert.

Der Emissionsvergleich der NOx–Bilanz zeigt, dass beim MHKW bzw. BHKW-Betriebes gegenüber einer getrennten Erzeugung von Strom im Kraftwerk und Wärme aus einer Kesselanlage die NOx–Emissionen um 26 % niedriger sind.

Vorraussetzung für die öffentliche Förderung

Die elektrische Energie aus KWK–Anlagen nach den Richtlinien des Ökostromgesetzes BGBl 149 § 12 vom 23.8. 2002 wird unter folgender Vorraussetzung gefördert:

1. Die in der KWK- (MHKW) -Anlage anfallende Abwärme wird für die öffentliche Fernwärmeversorgung genutzt.

2. Die Einsparung des Primärenergieträgereinsatzes und der CO2–Emissionen im Vergleich getrennter Strom- und Wärmeerzeugung wird erzielt.

Schalldämmung

die fachgerechte Ausführung von Luft- und Körperschalldämmung reduziert die Schallentwicklung bis auf mögliche 25 dB (A)

(Schalldämmhaube, Absorptions-Schalldämpfer)

Ökostromtarif aus Biomasse – EEG vom 1.8. 2004 (Deutschland)

Vergütungen

1. Mindestvergütung von Ökostrom aus Biomasse

1.1. von 1 - 150 KW el: mindestens 11,5 Ct/KWh (Grundvergütung)

1.2. von 150 - 500 KW el : mindestens 9,9 Ct/KWh

2. NAWARO (nachwachsende Rohstoffe)

   Zuschlag: 6 Ct/KWh

3. KWK (Kraft–Wärme- Kopplung)

   Zuschlag: 2 Ct/KWh

4. Technologiebonus (nur z. B. bei Holzvergasung, Stirling etc.)

    Zuschlag: 2 Ct/KWh

Beispielrechnung für 2007*

Jährlichen Degression von -1,5 % ab 1.1.2005 auf die Grundvergütung

= 3 Jahre x (-1,5%) = -4,5%

Grundvergütung 2007: 11,5 Ct/KWh x (- 4,5%) = 11,15 Ct/KWh

Einspeisetarife für das Jahr 2007 (Summe Zuschläge 2.-4.):

1 – 150 KW el: 20,98 Ct/KWh

150 – 500 KW el: 19,45 Ct/KWh

*) Annahme Holzgas-BHKW (zusätzlich mit Technologiebonus)

5. Die optimalen wirtschaftlichen Voraussetzungen und Rahmenbedingungen

Der Einsatz des MHKWs ist grundsätzlich dort sinnvoll, wo vor Ort Wärme und Strom gleichzeitig benötigt wird. Dies verlangt eine exakte Planung, die alle Faktoren berücksichtigt.

Da die Investitionen für die MHKWs deutlich höher sind als für eine Kesselanlage, sollen für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage möglichst hohe Benutzungsstunden erreicht werden.

Durch die gezielte Weiterentwicklung und durch die größeren Stückzahlen sinken gegenwärtig auch die Preise für die MHKWs.

Die MHKWs sind lt. Herstelleraussagen, je nach Bewertung des erzeugten Stromes und der Wärme, schon ab 3.000 Betriebsstunden wirtschaftlich einsetzbar.

Dies sollte jedoch unbedingt von Fall zu Fall von unabhängiger Seite im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsanalyse nachgewiesen werden!

Beispiel

Das > Diagramm - die Jahresdauerlinie zeigt den Jahreswärmebedarf einer Wohnsiedlung.

3 Stk. MHKW-Module können rd. 80% der Jahreswärmearbeit liefern und damit ca. 30% von der Gesamtleistung abdecken.

Die verbleibende Wärmearbeit von ca. 20% wird vom preisgünstigeren Heizkessel (Spitzenlastkessel) geliefert, der etwa 70% von der Gesamtleistung abdeckt.

Der Einsatz von mehreren MHKWs bringt gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit der Leistungen.

Quelle:ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V.)

Vorentscheidung zum Projekt zur Zur Vermeidung von Zeit- und Geldverlusten

Die Errichtung und der Betrieb eines gewinnbringenden MHKWs/ BHKWs erfordern wirtschaftliche Rahmenbedingungen.

Für eine Vorentscheidung zum Projekt (d. h. vor Beginn der eigentlichen und kostenaufwendigen Planung) sind daher unbedingt wichtige Fragen zu klären, die ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit des Projektes sind.

Durch die in letzter Zeit enormen Nachfragen nach Investkosten, Wirtschaftlichkeit etc. für KWK-Anlagen und das Risiko für Fehlplanung und Fehleinschätzung ist eine Projektvorentscheidung unbedingt erforderlich.

Ohne einer positiven Erledigung bzw. Klärung der Voraussetzungen, ist es in d. R. sinnlos, eine konkrete Projektanfrage über Investitionen und Wirtschaftlichkeit bei einem Hersteller zu stellen.

Zur Vermeidung von Zeit- und Geldverlust durch Fehlplanung und Fehleinschätzung

sind für die Erfüllung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zuerst eine ganze Reihe Fragen in einer Checkliste mit Hilfe eines Fachplaners positiv zu klären.

Erst danach können Fragen nach Investkosten, Wirtschaftlichkeit etc. fachlich richtig beantwortet werden.

Checkliste zur Projektvorentscheidung für die Errichtung eines MHKWs/BHKWs (Beispiel)

1. Die Standortfrage?

1.1 Das genehmigungsfähige Grundstück?

1.2 Konzept für die Abwärmenutzung – auch im Sommer?

1.3 Die Trafostation zur Einspeisung des Ökostroms?

2. Organisation des Brennstoffes?

2.1 Sicherstellung der Brennstofflieferung (z. B. Hackgut)?

2.2 Eigene Brennstoffaufbereitung?

3. Die Anfrage für ein Angebot?

3.1. Adresse mit Telefon vom Auftraggeber, Betreiber, Investor?

3.2. Projektstandort?

3.3. Geplante Leistung, Angabe möglicher Wärmenutzung?

4. Hersteller, Lieferant und Montagebetrieb?

Besonders bei relativ neuen Technologien (z. B. Holzvergaser) ist hier unbedingt eine fachliche Unterstützung von unabhängiger Seite notwendig.

5.4 Auftrag zur Errichtung der Infrastruktur?

6. Projektprüfung?

Anfragen an den Hersteller bzgl. Infrastruktur werden in d. R. kostenpflichtig über den Fachplaner geklärt.

Die Vorgehensweise zur Prüfung des Projektes nach den Punkten 1-5 ist unbedingt einzuhalten, um zeitgerecht die Projekte realisieren zu können.

Problematische Fragen, z. B. Herstellerauswahl, Betriebssicherheit, Marktreife, Probleme  etc. sollten vorab unbedingt mit einem unabhängigen und fachkompetenten Ing.-Büro geklärt werden.

 !  Mehr Infos zur Checkliste im Rahmen unserer Beratungen.

Einsatzbeispiele

MHKWs werden überall dort sinnvoll eingesetzt, wo gleichzeitig ein hoher Energiebedarf von Strom und Wärme oder auch Kälte vorliegt.

Potentiellen Kunden sind Verbraucher aus folgenden Branchen:

- Tourismusbetriebe wie - Hotels, Restaurants

- Campingplätze, Hallenbäder, Freizeitzentren

- Holzverarbeitende Betriebe (Sägewerk, Papierindustrie, Tischlerei)

- Fleischverarbeitende Betriebe

- Lebensmittelindustrie (Molkereien, Käsereien)

- Textilindustrie,

- Öffentliche Verwaltungsgebäude , Krankenhäuser, Kuranstalten

  Altersheime, Kasernen, Wohnanlagen (ab ca. 20 WE)

- Fernwärmebetriebe

- Klärgasanlagen

- Landwirtschaftliche Betriebe (Tierzucht, Gärtnereien)

Vor- und Nachteile der MHKW–Technologie beim Einsatz erneuerbarer Energien

Die Vorteile der MHKW–Technologie:

- hoher erreichbarer elektrischer Wirkungsgrad bis zu 40 %

- geringere spezifische Investitionskosten

- geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten

Der Nachteil beim MHKW

Der Verbrennungsmotor verlangt einen spezifischen Kraftstoff mit hohem Energieinhalt, der in reinem gasförmigem oder flüssigem Zustand relativ teuer in der Herstellung ist.

In der Praxis gibt es noch eine ganze Reihe von Problemen zu lösen! Die theoretischen Aussagen einiger Hersteller sind in der Praxis z. Z. nicht immer zu erreichen.

Bei Einsatz  einer modifizierten Motortechnik ist es mit Brennstoffen aus erneuerbaren Energien (z. B. Pflanzenöle, Holzgas etc.) möglich, Ökostrom & Biowärme wirtschaftlicher zu erzeugen als dies mit anderen KWK–Technologien geringerer elektrischer Wirkungsgrade möglich ist.

Je nach Qualität der Brennstoffe aus erneuerbarer Energie muss der Gasmotor, Dieselmotor oder auch der Zündstrahlmotor entsprechend technisch modifiziert, um auch hohe Motornutzungsstunden bzw. Standzeiten zu erreichen.

Vergleich elektrischer Wirkungsgrade von KWK-Alternativen

MHKW bzw. BHKW mit Diesel- und Gasmotoren

Die Erzeugung von Ökostrom und Biowärme mit Motorheizkraftwerken (MHKW) bzw. Blockheizkraftwerken (BHKW) ist auf Grund des hohen elektrischen Wirkungsgrades und des Brennstoff-Gesamtnutzungsgrades, vor allem für energieintensive Betriebe, eine gewinnbringende Notwendigkeit.

Dazu zählen insbesondere

- Fernwärmebetreiber bzw. Fernwärmeunternehmen

- Holzverarbeitende Betriebe

  (Sägewerke, Papierindustrie, Tischlerei)

- Landwirtschaftliche Betriebe (Tierzucht, Gärtnerei)

- Öffentliche Institutionen

  (Krankenhäuser, Kuranstalten, Altersheime)

Nach dem Österreichischen Ökostromgesetz – Bundesgesetz BGBl I Nr.149/2002 bzw. Deutschen EEG (Erneuerbaren Energiegesetz) vom 1.8. 2004 über die Abnahme elektrischer Energie aus Ökostromanlagen bieten sich mit dem Einsatz des MHKW auf Grund der vergleichbar hohen erreichbaren elektrischen Wirkungsgrade besondere Ertragskraft bei den Ökoprojekten.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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