Vorausberechnung der Wirtschaftlichkeit für Klein-BHKWs

Erfassung der Verbrauchsdaten mit Lastprofilen (Beispiel für Öl und Erdgas)

1. Messung von Außentemperatur, Strom- und Warmwasserverbrauch

Besonders bei kleineren BHKWs (z. B. Klein- bzw. Mini-BHKWs für Pflege- und Altersheime, Gewerbebetriebe, Hotels etc.) sollte der Bedarf an Strom und Nutzwärme möglichst genau ermittelt werden.

Je genauer der zeitgleich auftretende Verbrauch in Form von Lastprofilen ermittelt wird, desto sicherer wird die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit sein.

Da der notwendige Aufwand nicht unerheblich ist, sollte dafür auch genügend Zeit vor der Realisierung eingeplant werden.

Messung der Außentemperatur

kann im Messzeitraum sowohl selbst, als auch über die Wetterdaten ermittelt werden.

Stündliche und Tagesmittelwerte werden dann zur Datenauswertung herangezogen.

Messung des Stromverbrauchs

kann mit einem berührungslosen Messverfahren (Optokoppler) erfolgen. Dabei wird der Tastkopf (Lichtsender und -empfänger) auf die Markierung der Zählerscheibe ausgerichtet. Ein Impuls wird auf dem Datenlogger ausgegeben.

Über die Zählerkonstante (Energiemenge pro Umdrehung) können die Verbrauchswerte bestimmt werden.

Eine stündliche Auflösung der Mittelwerte sollte zur Erstellung der Lastprofile zur Verfügung stehen.

Messung des Warmwasserverbrauchs

ist erforderlich, um den Anteil witterungsunabhängiger Heizlasten im Gebäude zu erfassen.

Alternativ kann die Grundlast auch während des Sommers (ohne Heizbetrieb) ermittelt werden. Nachteilig ist die lange Messzeit, da grundsätzlich auch innerhalb der Heizperiode gemessen werden muss.

Gemessen werden kann z. B. innerhalb des Kaltwasserzulaufs des Speichers (ohne Zirkulationsvolumenstrom).

Ist bereits ein Zähler vorhanden, kann dieser z. B. mit einem Optokoppler abgetastet werden.

Andernfalls muss nachträglich ein Zähler mit Impulsausgang eingebaut werden.

Die gesammelten Daten werden mit einem Datenlogger ausgelesen.

Zusätzlich kann ein Anlegetemperaturfühler am WW-Ausgang des Speichers die die tatsächliche WW-Temperatur erfassen.

Bei den so gemessenen Lastprofilen handelt es sich - anders als bei Messungen am Gaszähler - um den tatsächlichen Nutzenergiebedarf für Warmwasser.

Der Aufwand, der bzgl. Effizienz der vorhandenen Anlage betrieben werden muss und letztlich den Wärmeverbrauch bestimmt, wird hierbei nicht miterfasst.

So sind noch die folgenden Faktoren zu berücksichtigen:

- Abgas- und Bereitschaftswärmeverluste des Heizkessels

- Bereitschaftswärmeverluste des WW-Speichers

- Qualität der Wärmeübertragung des Speichers (Verkalkung)

- Verteilerverluste im Rohrnetz (Zirkulation, Dämmqualität)

Da für die BHKW-Auslegung zunächst aber eine Bedarfsprognose erstellt werden soll, können die ermittelten Lastprofile direkt verwendet werden.

Um aber auf den Verbrauch (wichtig für Einschätzung der Wirtschaftlichkeit) schließen zu können, muss für das vorgeschlagene Gesamtsystem eine Nutzungsradbetrachtung durchgeführt werden.

Quelle: IKZ FACHPLANER 4/2008

2. Messung des Heizwärmeverbrauchs

Aufgrund der Außentemperaturabhängigkeit sollten zur Auswertung Daten im Temperaturbereich von -5 bis +10 °C vorliegen.

Für die spätere Dimensionierung mit dem Jahresdauerlinien-Verfahren müssen stündliche Werte für den Wärmeverbrauch vorliegen.

Die Erfassung der Verbrauchsdaten kann z. B. mit einem Optokoppler direkt am Gaszähler ausgelesen werden bzw. bei Ölfeuerungen Messung der Brennerlaufzeit mit einem Impulszähler (Düsenleistung ist durch auslitern zu bestimmen).

Für größere erdgasversorgte Liegenschaften kann vereinfacht z. B. auf die Gasbezugsdaten des Versorgungsunternehmens zurückgegriffen werden.

In den o. g. Fällen liegt aber immer nur ein unbereinigter Gas-/Ölverbrauch vor, der sowohl witterungsabhängige als auch periodisch wiederkehrende Wärmeverbrauchsanteile beinhaltet.

In den Messwerten ist auch der Anlagenaufwand enthalten.

Zur Bereinigung der Messwerte sind folgende Schritte erforderlich:

1. Umrechnung m³-Gasverbrauchs in Nutzwärmeverbrauch (Aufwand)

Der Nutzwärmeverbrauch bezieht sich auf den Heizwert eines Brennstoffes:

-> Für Erdgas muss also der vom Versorger angegebene Brennwert (Betriebsbrennwert) in den Heizwert umgerechnet werden:

Q_Nutz = (H₁ / (H_S / H₁)) x V_Gaszähler

= H₁ / 1,11 x V_Gaszähler

-> Für Heizöl wird die gemessene Menge mit dem Brennwertfaktor 1,06 in den Nutzwärmeverbrauch umgerechnet

Q_Nutz = 1,06 x V_Öl

2. Umrechnung Nutzwärmeverbrauch in Bedarfswert

Der am Gaszähler gemessene Verbrauch stellt zunächst nur den Aufwand für die Gebäudeheizung dar.

Für die BHKW-Dimensionierung muss aber eine Prognose des künftig zu erwartenden Energiebedarfs erstellt werden.

Die in den Messungen enthaltenen Abgas-, Betriebsbereitschafts- und Abstrahlverluste spiegeln sich im Nutzungsgrad der vorhandenen Anlage wider. Nicht berücksichtigt werden Verteilerverluste, wenn sie auch für das zukünftige BHKW bestehen bleiben.

Wird dagegen die Wärmeabgabe z. B. durch einen hydraulischen Abgleich verbessert, muss auch dies für die Bedarfsermittlung des BHKWs berücksichtigt werden.

Ein genaues Verfahren zur Bestimmung des Anlagen-Nutzungsgrades ist in der VDI-Richtlinie 3808 (energetische Bewertung von Gebäuden) enthalten.

3. Bereinigung um nicht witterungsabhängige Anteile

Der Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung ist nicht von der Witterung abhängig und unterliegt in d. R. einen typischen Tagesprofil.

Um die Lastprofile für jede Stunde zu erstellen, wird die Wärmeenergie aus den Mittelwerten des Volumenstroms und der Temperaturdifferenz wie folgt berechnet:

O_WW = V_KW x ς_KW x c_W x (θ_WW - θ_KW)

V_KW = Volumenstrom Kaltwasser

ς_KW = Dichte

c_W = spezifische Wärmekapazität

(θ_WW - θ_KW) = Temperaturdifferenz zwischen WW und KW

Der so ermittelte Tagesbedarf an Wärmeenergie für die WW-Bereitung kann dann zur Bereinigung des Gesamt-Wärmebedarfs in Abzug gebracht werden.

Somit kann die Außentemperaturabhängigkeit des Wärmebedarfs errechnet werden (Punkt 3).

3. Darlegung der Außentemperaturabhängigkeit des Wärmebedarfs mit Tagesmitteltemperaturverfahren

Mit den gesammelten Daten erfolgt nun die Berechnung der Außentemperaturabhängigkeit des Wärmebedarfs mit dem in der VDI-Richtlinie 3807 (Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude) Tagesmitteltemperaturverfahren.

Dazu werden die ermittelten Tagesbedarfswerte als Funktion der Tagesmitteltemperatur dargestellt.

So erhält man eine Punkteschar, durch die eine Regressionsgerade (Heizgerade) gelegt werden kann.

Wählt man für das Diagramm auf der X-Achse einen Wertebereich von -12 bis +20 °C und trägt auf der Y-Achse entsprechend die Tagesbedarfswerte auf, so erhält man neben der linearen Abhängigkeit des Wärmebedarfs von der Außentemperatur auch die Heizgrenztemperatur.

Sie ist an der Stelle ablesbar, wo der Wärmebedarf gegen Null geht oder aber aufgrund enthaltener AT-abhängigen Wärmebedarfsanteile konstant bleibt.

Die Regressionsgerade wird mit Hilfe der Diagrammfunktion MS-Exel in die die Messwerte eingefügt, sodass die entsprechende lineare Gleichung zur weiteren Auswertung direkt zur Verfügung steht.

Mit der Gleichung kann nun die Jahresdauerlinie für die erforderliche thermische Energie erstellt werden.

Berücksichtigung von Nutzungsänderungen

ist ein weiterer wichtiger Schritt bei der Prognose des zukünftigen Bedarfs (z. B. Ersatz einer alten Kältemaschine gegen ein Aggregat mit Freikühleinrichtung mit kleineren Strombedarf).

Bei der Erstellung der Jahresdauerlinie muss daher der entsprechende Wärme- und Strombedarf durch Einzelmessung oder Bedarfsberechnung berücksichtigt werden.

Jahresdauerlinie

Das Jahresdauerlinien-Verfahren mit einer Auflösung von 1 Stunde wird zur Bestimmung der Laufzeit eine BHKWs herangezogen.

Dabei werden die normierten Werte eines Testreferenzjahres (Mittel der langjährigen Wetterdaten des Standortes) verwendet.

Die Jahresdauerlinie stellt die Summenhäufigkeit des Leistungsbedarfs eines Gebäudes in einem Diagramm dar.

Dazu wird die erforderliche thermische oder elektrische Leistung über die Anzahl der Jahresstunden aufgetragen.

Jahresdauerlinie des Leistungsbedarfs

Ordnet man die Leistungsdaten nach ihrer Größe, so ergibt sich die Jahresdauerlinie des Leistungsbedarfs.

An ihr kann abgelesen werden, für wie viele Stunden im Jahr der Leistungsbedarf einen bestimmten Wert überschreitet.

Weiterhin kann im flachen Teil der Jahresdauerlinie die thermische und elektrische Grundlast eines Gebäudes abgelesen werden.

Bei dieser Darstellung kann somit recht einfach direkt die Laufzeit aus dem erstellten Diagramm abgelesen werden.

Zur Erstellung der Jahresdauerlinie wird mit Hilfe der Heizgeraden für die Temperaturen des Referenzjahres der Heizwärmebedarf berechnet.

An Hand der ermittelten Typ-Tage (Werktag, Wochenende) können dann die AT-abhängigen Bedarfswerte den einzelnen Tagen des Jahres zugeordnet werden.

Addiert man die Werte, erhält man den Jahresgang des Wärmebedarfs innerhalb des untersuchten Objekts.

Jahresdauerlinie des Strombedarfs

Hier kann analog vorgegangen werden. Meisten sind hier nur geringe AT-abhängige Bedarfsanteile zu berücksichtigen, sodass sich die Jahresdauerlinie im Wesentlichen nur aus den einzelnen typischen Tagesprofilen zusammensetzt.

Ermittlung der Modulleistung anhand der möglichen Laufzeiten

Für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit des BHKWs muss die Anzahl der Betriebsstunden, in denen Nutzwärme und Strom im Objekt genutzt werden kann, ermittelt werden.

Hierzu kann eine Exel-Tabellenkalkulation verwendet werden, die anhand des Testreferenzjahres für den Standort den prognostizierten Strom- und Wärmebedarf in stündlicher Auflösung den möglichen BHKW-Modulleistungen gegenüberstellt.

In die Tabellenkalkulation werden die folgenden Leistungsdaten des favorisierten BHKWs eingegeben:

- Thermische Leistung bei Volllast/Teillast

- Elektrische Leistung bei Volllast/Teillast

- Thermischer Wirkungsgrad

- Elektrischer Wirkungsgrad

Mit den Eingaben kann für das konkrete Bedarfprofil die Anzahl der jährlichen Betriebsstunden unter Berücksichtigung der Leistungsmodulation auf minimale Teillast und der Jahres-Brennstoffverbrauch bestimmt werden.

Für den erzeugten Strom wird ermittelt, ob er direkt genutzt werden kann oder ob er eingespeist werden muss.

Ebenso wird anhand der Simulation errechnet, wieviel und zu welcher Tageszeit Strom zugekauft werden muss.

Hinterlegt man in der Tabellenkalkulation noch die Hoch- und Niedertarifzeiten, so können auch die möglichen Einsparungen bei vorliegenden Zweitarifmodell ermittelt werden.

Da ein BHKW nur die thermische Grundlast abdeckt, wird zusätzlich die von einem Spitzenlastkessel bereitzustellende Nutzwärme und abhängig von dessen Jahresnutzungsgrad der erforderliche Gas/Ölverbrauch ermittelt (Speicher kann hier vernachlässigt werden).

Variiert man nun die Leistungsdaten infrage kommender BHKW-Typen/Anzahl der Module, kann die optimale Anlagenkonfiguration gefunden werden.

In einem weiteren Schritt erfolgt die Gegenüberstellung der erforderlichen Investitionen.

Einspeisung von Strom bei kleinen BHKWs ist unwirtschaftlich (Beispiel)

BHKW-Leistungsdaten:

Thermischer Wirkungsgrad ca. 65%

Elektrischer Wirkungsgrad  ca. 25%

Abgasverlust                   ca. 10%

Erdgasverbrauch je kWh Nutzwärme              1,57 kWh

Zusätzlich erzeugter Strom je kWh Nutzwärme 0,38 kWh

Verbrauchstarife/Vergütungen:

Einspeisetarif inkl. MwSt     6,5 ct/kWh

Stromtarif inkl. MwSt        19,0 ct/kWh

Mineralölsteuervergütung 0,55 ct/kWh (?)

Einspeisevergütung:

EXX-Leipzig (üblicher Preis) 3,9 ct/kWh

KWK-Gesetz (für 10 Jahre) 5,11 ct/kWh

Ermittlung der Verbrauchskosten je kWh Nutzwärme

*) Nutzungsgrad des BW-Geräts bezogen auf Ho = 96%

Beispiel: Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von BHKW-Varianten in einem Pflegeheim

Es werden drei Versorgungsvarianten für das Pflegeheim untersucht (vorhanden ist eine alte Gasheizung):

Variante 1

Ein Gas-BHKW-Modul mit 4,7 kW_el und 12,5 kW_therm und einem Gas-BW-Spitzenlastkessel mit 65 kW.

Variante 2

Zwei Gas-BHKW-Module mit 4,7 kW_el und 12,5 kW_therm sowie einen entsprechen kleiner dimensionierten Gas-BW-Spitzenlastkessel.

Variante 3

Gas-BW-Kessel für den Gesamtbedarf und Fremdbezug des gesamten Strombedarfs.

Variante 1

Für ein leistungsmodulierendes Klein-BHKW ergeben sich zunächst verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten, die 32,6% bzw.

ca. 5820 € unterhalb der derzeit auftretenden Energiekosten liegen.

Es wird nur minimal Strom in das Netz eingespeist, so dass der der Anteil der jährlichen Einspeisevergütung lediglich 4,3% an der gesamten Kosteneinsparung beträgt.

Die errechnete Laufzeit beträgt 7.129 h/a (ca. 81% der Jahresstunden in Betrieb).

Dabei beträgt der Anteil der Jahresheizarbeit 60% des jährlichen Wärmebedarfs.

Die Investkosten (inkl. hydraulische Einbindung, Puffer, Regelung und Spitzenlastkessel) betragen 38.500 € inkl. MwSt.

Variante 2

Für zwei leistungsgleiche BHKW-Module ergeben sich verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten, die 41,7% bzw. ca. 7.536 leistungsmodulierendes Klein-BHKW ergeben sich zunächst verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten, die 32,6 % bzw. ca. 5820 € unterhalb der derzeit auftretenden Energiekosten liegen.

Die Einspeisevergütung für den eingespeisten Strom (KWK-Gesetz und Durchschnitt Strombörse EEX) steigt auf ca. 150 €.

Der jährliche Strombedarf sinkt jetzt auf 2.189 kWh ab. Darüber hinaus wird im Niedertarif kein weiterer Strom mehr benötigt.

Zusätzlich zur Variante 1 kann das zweite Modul allerdings nur noch weitere 4.112 h betrieben werden.

Die Jahresheizarbeit steigt auf einen Anteil am Gesamtbedarf von 88% an.

Die Investkosten betragen ca. 65.500 € inkl. Montage und MwSt.

Variante 3

Die Einsparung ergeben sich bei den Brennstoffkosten durch den verbesserten Jahresnutzungsgrad des Gas-BW-Kessels.

Der Fremdstrombezug für Hoch- und Niedertarif muss berücksichtigt werden.

Investitionskosten ca. 20.000 € inkl. Montage und MwSt.

Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Varianten

Es werden die Vollkosten der BHKW-Varianten den Kosten eines Gas-BW-Systems gegenüber gestellt.

Es gelten folgende Annahmen:

Betrachtungszeitraum             15 Jahre

Stromtarife (Hoch-/Niedertarif) 19,45/10,98 ct/kWh

Jährliche Teuerung Strom         5 %/a

Arbeitspreis Erdgas                  5,74 ct/kWh

Jährliche Teuerung Gas             7 %/a

Jahresnutzungsgrad BW-Kessel   96 % (bzgl. Ho)

Die Gegenüberstellung der Gesamtkosten für ein BHKW-Modul (Variante 1) und der Referenz Gas-BW-Kessel (Variante 3) zeigt, dass bereits im fünften Betriebsjahr die kumulierten Gesamtkosten des BW-Systems höher liegen, als die der BHKW-Lösung.

Es liegen also eindeutige wirtschaftliche Rahmenbedingungen vor, die auch nach Ablauf der KWK-Förderung zutreffen.

Nach 15 Jahren liegen die eingesparten Kosten insgesamt bei ca. 59.000 €.

Für die Variante 2 mit zwei Modulen lagen die verbrauchsgebundenen Kosteneinsparungen zunächst deutlich über denen der Variante 1, allerdings waren auch höhere Investkosten zu berücksichtigen.

Ob die 4.112 Betriebsstunden des 2. Moduls diese Investkosten rechtfertigen, zeigt die Gegenüberstellung mit Variante 3:

Erst im zehnten Jahr liegen die kumulierenden Gesamtkosten mit zwei Modulen unterhalb denen des Gas-BW-Systems.

Die Amortisationszeit verdoppelt sich von 5 auf 10 Jahre.

Variante 2 ist somit unwirtschaftlich.

Nach 15 Jahren stehen noch knapp 40.000 € an Einsparung gegenüber der Variante 3 zu Buche.

Quelle: IKZ FACHPLANER 4/2008

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

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