Pflanzenöl-Blockheizkraftwerk (MHKW)

Flüssige Biomasse (Pflanzenöl) als Brennstoff zur Erzeugung von  Ökostrom & Biowärme

Rapsöl oder Biodiesel als Kraftstoff für Dieselmotoren

Fossile Energierohstoffe sind nur begrenzt verfügbar.

Der Ersatz durch Ölpflanzen ist ein erster Schritt in Richtung „erneuerbare Energie„.

Durch die Photosynthese wandeln die Ölpflanzen die Sonnenenergie in Öl um, das annähernd eine Energiedichte von Diesel-Kraftstoff aufweist.

Als Brennstoff für Motorenheizkraftwerke (MHKW)*können sämtliche Ölpflanzen, die für den Anbau in unseren Breiten geeignet sind, eingesetzt werden.

*)  MHKW = mit Verbrennungsmotor ausgestattetes BHKW

Die 5 wichtigsten Ölpflanzen sind Raps, Soja, Sonnenblume, Baumwolle, Erdnuss (evtl. auch Palmöl, das vorwiegend in Asien angebaut wird).

Einerseits bringt die Nutzung heimischer nachwachsender Energiepflanzen der Wirtschaft Impulse im ländlichen Raum, sichert und schafft Arbeitsplätze, erhöht die Versorgungssicherheit und leistet anstelle des Einsatzes von fossilen Brennstoffen einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von CO2–Emissionen und weiteren Treibhausgasen.

Andererseits darf das nicht zu Lasten der landwirtschaftlichen Anbaufläche für Grundnahrungsmittel führen, die ja auch noch geringer vergütet werden.

Eine Verknappung bedeutet für den Endverbraucher immer ein höherer Preis für die Grundnahrungsmittel.

Wirkungsgrade

Elektrisch: max. ca. 60% (möglich nur bei großen Anlagen und mit erheblichen technischen Aufwand), Gesamt: > 80%

Die Vor- und Nachteile des Pflanzenöl-Kraftstoffes

Vorteile

Umweltschonende Brennstoffe sind nachwachsende Rohstoffe, die auf regenerative Weise nach Verbrauch innerhalb eines Jahres direkt oder indirekt aus Sonnenenergie gewonnen werden.

Gespeicherte Sonnenenergie = CO2 neutral

es wird nur soviel bei der Verbrennung an CO2 abgegeben, was zuvor im Wachstum aufgenommen wurde

Emissionen

sind gegenüber mineralischen Diesel deutlich geringer

Abgas

kaum Schwefel vorhanden, weniger Ruß–Partikel, Stickoxid–Werte sind vergleichbar mit Diesel etwa gleich hoch.

Nachwachsende Rohstoffe

Pflanzenölsaaten wie Raps, Sonneblumen, etc. sind nachwachsende Rohstoffe und ermöglichen eine unabhängige Energieversorgung

Biologisch abbaubar

kein wassergefährdender Stoff, somit keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen bei der Lagerung, geringe Wassertoxizität

Gute Grenzschmierfähigkeit, daher geringerer Verschleiß

Hoher Sauerstoffgehalt im Pflanzenöl

führt zu deutlichen Emissionsvorteilen gegenüber mineralischem Diesel.

Keine aromatischen Bestandteile im Pflanzenöl

gegenüber mineralischen Diesel, sind die Kohlenwasserstoffemissionen je nach Motoreinsatz zwischen 10 und 60 % geringer.

Hohe Viskosität

ca. 67 mm²/s, gegenüber mineralischen Diesel 12-fach höher

Schlechte Zündfähigkeit

bzw. Kälteverhalten bei – 10 °C fliest Pflanzenöl nicht und versteift sich zu einer weißen Masse

Hoher Siedepunkt

Pflanzenöl siedet bei einer um 80 °C höheren Temperatur als mineralischer Diesel, daher ist eine schlechte Zündwilligkeit gegeben

Geringe Oxidationsstabilität (Alterungsstabilität)

abhängig vom Fettsäuremuster = zu hoher Anteil an ungesättigten Fettsäuren

Negative Beeinflussungen

- durch die Lagerung der Saat oder Öles bei zu hoher Temperatur,

- durch Lichteinwirkung auf das Öl,

- durch Wasser und durch katalytisch wirkende Metalle (z. B. Kupfer),

  dadurch können Oxidations- und Polymerisationsvorgänge einsetzen,

  z. B. bei 100 °C liegt der Grenzwert der Oxidationsstabilität bei etwa 5 h

Preisrisiko für das Pflanzenöl

 = große Nachfrage für die Biodiesel – Raffinerie als Biodiesel – für den Rohstoff wird im mobilen Bereich ein höherer Preis geboten!

Besonderheiten bei der Entwicklung der Verbrennungsmotoren für Pflanzenöle

Um die Nachteile des Pflanzenöl–Kraftstoffes beherrschen zu können, wurden der Dieselmotor mit Wirbel- oder Vorkammer–Verfahren sowie umgebaute Serienmotoren mit Direkt-Einspritzung pflanzenöltauglich weiterentwickelt.

Besonders die ehemaligen Thüringer Motorenwerke (jetzt AAN) können auf einen langzeitlich erprobten Dieselmotor mit Direkteinspritzung (umgebauter MAN–Motor) verweisen, der alle Nachteile des Pflanzenöles beherrscht.

Die wesentlichen Maßnahmen beim pflanzenöltauglichen Dieselmotor

Vorwärmung des Kraftstoffes

bis auf 70 – 80 ° C bis zur Zündung

Bildung von Verbrennungsrückständen

Abhilfe durch spezielle Verbrennungsverfahren (Wirbelkammerverfahren, Direkteinspritzung)

Vorgewärmtes Kraftstoffsystem

wird vom Motorblock bis hin zu den Ventilen vorgewärmt geführt (Vermeidung von Verkokung, Sicherstellung der Zündung des Kraftstoffes)

Partielles Aufheizen des Kraftstoffes

bis vor dem Zylinderkopf in der Einspritzdruckleitung, so kann auch mit niederen Temperaturen gestartet werden (Kaltstart des Motors bei > 30 ° C bereits möglich).

Entwicklung eines temperaturbeständigeren Ferrothermkolben

hält den etwa 100 °C höheren Verbrennungstemperaturen länger stand

Vergleichbar niedrige NOx–Emission

durch modifiziertes Einspritzsystem, Form des Ferrothermkolben und Zylinderkopfes -> bis 1.000 KW Brennstoffleistung kein SCR-Katalysator erforderlich.

Vollautomatisches Zwischenspülsystem

Zur Vermeidung der Polymerisation bzw. Verstopfen des Einspritzsystem ist ein Zwischenspülsystem (vor dem Start freispülen - beim Abstellen freispülen) installiert, so dass auch ein Kaltstart mit Diesel möglich ist.

Die Grundlage dazu sind Erfahrungen mit Dieselzündstrahlverfahren.

Technische Daten (Beispiel für Motor mit Direkteinspritzung)

- Modifizierter MAN–Grundmotor – Bauart 6 bis 12 Zylinder

- Elektrische Motorleistungen von 8 KWel – 360 KWel

- Gesamtnutzungsgrad ca. 85 %

- Brennverfahren mit Einstrahleinspritzung bei hohen Drücken

  und 2–Stoffsystem

- Saugmotor vorzugsweise aufgeladen und ladeluftgekühlt

- Abgasemissionen: < 3 MW

- NOx :1.000 mg/m³, kein SCR–KAT erforderlich
- CO: max. 300 mg/m³
- Staub: max. 20 mg/m³ (Grenzwertempfehlungen der TA–Luft 2002)

Quelle: SW-Energietechnik

Wirtschaftlichkeit des Pflanzenöl–MHKW (Beispiel)

Allgemeine Daten

Brennstoff  Rapsöl

Heizwert Hu = 35 MJ/kg = 9,8 KWh/kg = 9,0 KWh/l,

(andere Angaben: 37,5 MJ/kg, 9,61 kWh/Liter)

Dichte = 0,92 kg/l

Brennstoff  Palmöl

(Gewinnung aus Fruchtfleisch der Ölpalme)

Heizwert 37,0 MJ/kg

Dichte ca. 0,921 bis 0,924 kg/l

(0,92 kg/l bei 15°C -> 1 kg = 1,087 l).

Schmelzbereich je nach Zusammensetzung 27 und 45 °C

Brennstoffpreise (Beispiele)

Rapsöl (Pflanzenöl-Qualität): z. B. 2006 ca. 65-70 Cent/l

Palmöl 2006: 450 €/t, Ende 2007: 800-850 €/t, 11/2010: ca. 950 €/t, 03/2011: ca. 810 €/t = 0,81 €/kg = 0,7452 €/l

Einnahmen durch Energielieferverträge

1. Ökostromtarife für Pflanzenöl nach dem EEG (Deutschland)

Vergütung 18,98 Ct/KWh für das Jahr 2007

Wird gemäß Ökostrom–EEG (1.8.04) über die Abnahme elektrischer Energie aus Ökostromanlagen vom örtlichen EVU für Ökostrom aus flüssiger Biomasse bis zu einer Engpassleistung 150 KWel 20 Jahre lang gezahlt.

Grundvergütung 2010: 11,55 Cent/kWh + NawaRo-Bonus 5,94 Cent/kWh.

NawaRo-Bonus ab 2011 nur bei Verwendung von zertifiziertem Pflanzenöl.

Seit dem 01.01.2010  ist für Pflanzenöl eine Energiesteuer in Höhe von 6,135 Cent/l fällig.

Die Hauptzollämter haben in der Vergangenheit der Rückzahlung der einbehaltenen Energiesteuer (vormals Mineralölsteuer) nicht zugestimmt, wenn Stromkennzahlen deutlich über „1,0“ vorhanden waren – also mehr Strom als Wärme produziert wurde.

Wie werden sich die Hauptzollämter angesichts von Stromkennzahlen, die sich in Richtung „10“ bewegen, in Zukunft verhalten?

2. Verkaufbarer Wärmepreis

5 Ct/KWh*

*) wird in der Praxis selten erzielt, eher wesentlich niedriger (ca. 50 % vom Heizölpreis wären ein Idealwert! für den Wärmenutzer)

Wartungskosten

Für erdgasbetriebene BHKW-Anlagen: 2,6 Cent/kWh bis 3,0 Cent/kWh.

Bei mit Pflanzenöl betriebenen Motoren liegen die Wartungskosten aufgrund des erheblichen Mehraufwandes um ca. 10-30% höher.

Geschätzte Investitionen

Unter optimalen Vorraussetzungen: ca. 350.000 €.

Wirkungsgrad

Elektrischer Wirkungsgrad max. 60%

(nur bei extrem hohen technischen Aufwand möglich)

Leistungsdaten des Pflanzenöl MHKW

Gesamtnutzungsgrad*: 84%

Ölverbrauch 43 l/h x 7.500 h/a = 322.500 l/a

z. B. Rapsölpreis 0,65 €/l, Palmölpreis 0,95 €/l

Bei z. B. 7.500 h/a (Jahresbetriebsstunden) ->

Thermische Leistung: 180 kWth -> 1.350.000 kWth/a

Elektrische Leistung: 150 kWel -> 1.125.000 kWhel/a

Gesamt:                  330 kW  ->  2.475.000 kWh/a

*) Berechnung Gesamtwirkungsgrad:????

Energiegehalt (Rapsöl) = 9,0 KWh/l x 322.500 l/a = 2.902.500 kWh/a (= 100%)

Gesamtleistung BHKW = 2.475.000 kWh/a = 85,27% Gesamtwirkungsgrad

Wirtschaftlichkeitsberechnung (vereinfacht)

Quelle: SW-Energietechnik

Bemerkungen zur Wirtschaftlichkeit von BHKWs mit Pflanzenöl bzw. Pflanzenölmethylesther

Aufgrund der gestiegenen Erdölpreise ist es nahe liegend, ob, ähnlich wie beim Auto, durch einen Umstieg auf Pflanzenöl auch bei stationären Motoren ein Kostenvorteil erzielt werden kann.

Zwar wird durch das neue Gesetz zum Vorrang erneuerbarer Energien (EEG) eine Mindestvergütung für den in das öffentliche Netz eingespeisten Strom für 20 Jahre garantiert.

Andererseits ist die Mineralölsteuer z. Z. im Bereich der Wärmeversorgung (noch!) geringer als im Kraftfahrzeug-Sektor.

Außerdem wurden BHKW-Anlagen bis 2010 von der Mineralölsteuer befreit.

Deshalb kann die höhere Einspeisevergütung die hohen Pflanzenölpreise auch unter optimalen Bedingungen nicht kompensieren.

Die wirtschaftliche Situation von Pflanzenöl-Motoren erschwert sich noch aufgrund der höheren spezifischen Investitionen für die für Pflanzenöl geeigneten BHKW-Anlagen sowie der höheren Wartungskosten.

Risiko der Wirtschaftlichkeit!

Die Preisschwankungen des Brennstoffes „Pflanzenöl„ lassen keine gesicherte Wirtschaftlichkeit zu, weil für dieses Pflanzenöl in der Biodiesel–Raffinerie im Einsatz des mobilen Verkehrs ein höherer Preis erzielbar ist.

Hat der Ölpreis eine gewisse Höhe überschritten, werden keine Gewinne mehr erzielt oder sogar Verluste eingefahren.

Besonders hohes Risiko besteht zusätzlich dann, wenn bei stromgeführten BHKWs (max. Stromproduktion) die Wärme nicht genutzt bzw. nicht verkauft wird.

Im Frühjahr 2010 war Rapsöl relativ preisgünstig. Der aktuelle Rapsölpreis liegt ohne Berücksichtigung der Frachtkosten zum BHKW-Standort mit ca. 800,- Euro/t rund 15% über den Februar-Preisen.

Der Preistrend weist aufgrund von Ernteausfällen in Europa (z. B. Ukraine, Russland), Indien und Kanada deutlich nach oben.

Nachweislich stellen die Brennstoffkosten insbesondere bei real verwirklichten Pflanzenöl-BHKW bzgl. der Betriebszeit von 20 Jahren den weitaus größten Kostenanteil innerhalb der Kostenaufstellung dar.

Da die Erlöse durch die Stromeinspeisung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf 20 Jahre fest sind, können Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei einem Anstieg der Brennstoffkosten deutlich negativ ausfallen bzw. zum Verlustgeschäft werden.

Quellen: BHKW-Infozentrum; SW-Energietechnik

Ökologie von Pflanzenöl - Fluch und Segen

Sofern das Bioöl aus nachhaltigem Anbau stammt, ist die Ökologie nicht gefährdet.

Für Biotreibstoff und zur Stromerzeugung mit BHKWs herrscht ein riesiger Boom.

Seit Europa und Amerika Bio-Treibstoffe als Alternative zum "schmutzigen" Erdöl und z. B. Palmöl als viel versprechendes Bioprodukt entdeckt haben, läuft das Geschäft auf Hochtouren - mit verheerenden Folgen für die Umwelt.

Ertragreichste Ölpflanze

Keine andere Ölpflanze ist so ertragreich: 4-8 t Roh- und Palmöl/ha. Für 100 ha sind auch nur 75 Arbeitskräfte nötig.

Der Palmölverbrauch hat sich in 10 Jahren weltweit auf > 30 Mio. t/a mehr als verdoppelt.

Palmöl - Killer des Regenwaldes

Für die Gewinnung von Palmöl wird z. B. in Indonesien (Borneo) der Regenwald abgeholzt oder durch Brandrodung Platz geschaffen für lukrative Palmölplantagen.

Auf Sumatra ist der meiste Wald schon abgeholzt.

Außerdem sind Palmölplantagen die größte Bedrohung für das Überleben der Orang-Utans.

Bis 2004 waren in Indonesien 5,4 Mio. ha mit Ölpalmen bepflanzt. Lt. Regierungsbeschluss sollen bis 2008 8,4 Mio. ha bepflanzt werden, das meiste davon auf Kalimantan.

In 3-4 Jahren dürfte dann der Tieflandregenwald verschwunden sein.

Mehr CO2-Freisetzung durch Brandrodungen als Einsparung

Wissenschaftler (z. B. F. Siegert, München) haben nachgewiesen, dass durch Brandrodungen des Geländes mehr CO2 freigesetzt als durch den Verbrauch von Palmöl-Treibstoff eingespart wird.

Stromerzeugung mit Blockheizkraftwerken

Deutschland ist mit 800.000 t/a der fünftgrößte Palmölimporteur weltweit.

Damit werden u. a. BHKWs betrieben, die lt. des Leipzigers Instituts für Energetik und Umwelt 1,3 Milliarden kWh/a Strom produzieren.

Endverbraucher bezahlt die Rechnung

Dieser Biostrom wird vom Staat hoch subventioniert, indem ihn die Stromerzeuger teuer aufkaufen müssen (EEG).

Der Endverbraucher muss wiederum durch einen höheren Preis für den Normalstrom die Rechnung bezahlen.

Quelle: C. Oellrich, dpa

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

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