BHKW zur ENERGIEVERSORGUNG VON INDUSTRIEUNTERNEHMEN
In Zeiten der Energiewende rücken Konzepte zur unabhängigen und dezentralen Nutzenergieerzeugung zunehmend in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Energieeffizienz, Flexibilität und Ressourcenschonung sind dabei ausschlaggebende Kriterien. Ein großes Potenzial diesbezüglich bietet die Dezentralisierung der Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung. Im Rahmen einer dezentralen und von den energiepolitischen Rahmenbedingungen unabhängigen Energieversorgung von Industrieunternehmen gewinnen Blockheizkraftwerke immer mehr an Bedeutung.
Gemeinsam finden wir die passende Energielösung für Sie.
Die Kraft-Wärme-Kopplung, kurz KWK, ist die gleichzeitige Umwandlung von Primärenergie (in Form von Brennstoff) zu thermischer und mechanischer (als Grundlage für die Gewinnung elektrischer) Nutzenergie in einer technischen Anlage. Diese Art der Energieumwandlung ist durch hohe Nutzungsgrade, also der sehr effizienten Umwandlung von Brennstoff zu nutzbarer Energie gekennzeichnet.
Diese gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme ist im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme:
ÖKOLOGISCH
- effizienzsteigernd
- CO2-reduzierend
- nachhaltig
- umweltfreundlich
- ressourcenschonend
ÖKONOMISCH
- dynamisch
- unabhängig
- kostenreduzierend
- wettbewerbssteigernd
- versorgungssicher
Die Vorteile dieses Verfahrens spiegeln sich auch in den energie- und klimapolitischen Zielen der Bundesregierung wieder, die den Anteil der KWK an der Stromerzeugung bis 2020 auf 25% erhöhen will.
Im Rahmen der Energiewende stellt KWK eine wesentliche Säule und das Bindeglied zwischen einem volatilen Strommarkt und einem eher planbaren Wärmemarkt dar.
Eine gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom kann unter anderem in Blockheizkraftwerken (kurz BHKW) realisiert werden. Hauptprinzip ist per Definition stets die gleichzeitige Gewinnung von thermischer und mechanischer Energie in einer technischen Anlage. Blockheizkraftwerke auf Basis von effizienten Verbrennungsmotoren werden seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Insbesondere mit Erdgas betriebene BHKW stellen den häufigsten Anwendungsfall im Bereich der dezentralen KWK dar.
eines BHKW
Bei Blockheizkraftwerken treibt der Verbrennungsmotor, ein Diesel- oder Ottomotor, einen Generator zur Stromerzeugung an. Die bewährte Motorentechnik kommt aus dem Industriemotoren- bzw. Schiffbau. Der größte Teil der Abgaswärme sowie die im Motorkühlwasser und Ölkühler anfallende Wärme wird als Nutzwärme über Wärmeübertrager ausgekoppelt.
Die Anteile von Abgas-, Kühlwasser- und Motorölwärme sind abhängig von der Motorleistung. Bei großen Motoren sind die Wärmeanteile in etwa gleich groß, während bei kleinen Motoren die Kühlwasser- und Motorölwärme überwiegt.
Die Abgaswärme steht auf einem Temperaturniveau von ca. 500°C zur Verfügung. Am Austritt des Abgas-Wärmeübertrager haben die Abgase in der Regel eine Temperatur von ca. 120°C. Über einen zusätzlichen Brennwert-Wärmeübertrager können die Abgase im BHKW weiter abgekühlt werden. Durch die Nutzung dieser Kondensationswärme kann der thermische Nutzungsgrad erhöht werden.
Die über das Motorkühlwasser und den Ölkühler anfallende Wärme liegt in einem Temperaturbereich von ca. 85-90°C und wird als Niedertemperaturwärme (=NT-Wärme) bezeichnet. Zu beachten ist, dass die Rücklauftemperatur zur Motorkühlung 70°C möglichst nicht überschreiten darf. Beim Einsatz sogenannter heißgekühlter Motoren in Blockheizkraftwerken sind auch höhere Temperaturen am sekundären Kühlkreislauf möglich.
Für die Wärmeauskopplung aus Blockheizkraftwerken gibt es zwei Varianten:
Die beiden Wärmequellen Motor-Kühlwasser und Abgaswärme werden im BHKW über einen Wärmeübertrager an einen gemeinsamen sekundären Wasserkreislauf übertragen. Die Vorlauftemperatur des Sekundärkreislaufes liegt in der Regel bei 90°C. Die Rücklauftemperatur darf 70°C nicht übersteigen. Übersteigt die Rücklauftemperatur einen festgelegten Grenzwert, kann die überschüssige Wärme geeigneten Kühleinrichtungen zugeführt werden.
Double-stage heat extraction
Two independent secondary cycles in the cogeneration unit are required for the separate extraction of the two heat sources. In so doing, the low-temperature heat from the engine cooling water and oil cooler is extracted by way of a heat exchanger. As with the single-stage heat extraction, the return flow temperature must not exceed a defined limit of approx. 70°C. The flow usually has a temperature of approx. 85°C. The energy contained in the exhaust gas can be used for the generation of steam, heat transfer oil or hot water by means of a waste heat recovery boiler. The use of the exhaust gas in direct or indirect drying processes represents another possible application.
Folgende Brennstoffe können in Abhängigkeit der Motorausführung im Blockheizkraftwerk eingesetzt werden:
- Heizöl
- Palmöl
- Flüssiggas
- Erdgas
- Klärgas
- Deponiegas
- Biogas
- Kokereigas
- Restgase aus der Produktion
- Kombination verschiedener Brennstoffe
Netzanbindung
Zum Einsatz in BHKW-Anlagen kommen Generatoren sowohl in der Asynchron- als auch in der Synchronbauweise. Die Vorteile von Asynchronmotoren liegen darin, dass sie simpler konstruiert, leichter instand zu halten und somit kostengünstiger als Synchrongeneratoren sind. Der Nachteil von Asynchrongeneratoren ist, dass sie zum Starten eine Fremderregung benötigen, welche im Regelfall durch das Netz erfolgen muss. Die Synchronisation des Motors erfolgt automatisch, jedoch muss je nach Vorgabe des Energieversorgers eine Blindleistungskompensation erfolgen, da der Motor Blindleistung aus dem Netz bezieht. Hier kann die Installation von Kondensatorbatterien Abhilfe schaffen. Deshalb werden Asynchronmotoren in BHKW-Anlagen nur bis zu einer Leistung von ca. 100 kW eingesetzt.
Werden größere Leistungen benötigt oder soll das BHKW als sogenannte Insel, d.h. ohne Anbindung an das öffentliche Netz betrieben werden können, kommen Synchrongeneratoren zum Einsatz. Die technisch anspruchsvollere Konstruktion des Synchrongenerators erfordert den Einsatz sogenannter Synchronisierungseinrichtungen welche zur Anpassung an die Netzfrequenz des anzuschließenden Netzes dienen. Durch die Fähigkeit des Synchrongenerators Blindleistung sowohl aus dem Netz zu beziehen wie abzugeben kann der Einsatz eines solchen Generators im Blockheizkraftwerk zur Verringerung der Blindleistungskosten beitragen.
Als Alternative zum reinen Inselbetrieb kann das BHKW auch im Netzparallelbetrieb gefahren werden. Das heißt, dass das Blockheizkraftwerk weiter an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist und der erzeugte Strom
- hundertprozentig in das Netz eingespeist oder
- hundertprozentig zur Deckung des Eigenbedarfes verwendet sowie der zusätzliche Strombedarf durch Bezug aus dem öffentlichen Netz gedeckt oder
- teilweise je nach Verlauf des Strombedarfes zur Deckung des Eigenbedarfs oder in das öffentliche Netz ausgespeist wird.
Welche Betriebsweise in Betracht kommt ist abhängig von den wirtschaftlichen Konditionen, welche einer Netzeinspeisung und den Kosten für den Bezug aus den öffentlichen Netz gegenübergestellt werden müssen. Diese Punkte müssen im Rahmen einer Vorplanung sorgfältig geprüft werden.
einer KWK-Anlage
Es bestehen prinzipiell drei unterschiedliche Fahrweisen von KWK-Anlagen. Diese sind
- Wärmegeführte Fahrweise
- Stromgeführte Fahrweise
- Netzgeführte Fahrweise
Bei der wärmegeführten Fahrweise orientiert sich der Betrieb der KWK-Anlage an dem Wärmebedarf. Die KWK-Anlage folgt dem Wärmebedarf und befindet sich so zum Teil in Teillastbetrieb. Dadurch werden die höchsten Nutzungsgrade erreicht, da keine Wärme unnötigerweise an die Umgebung abgegeben wird.
Allerdings wird bei der wärmegeführten Fahrweise nicht die größtmögliche Strommenge erzeugt. In der Regel ist der Strombedarf eines Kunden größer als die installierte elektrische Leistung. Da der Preis für den Bezug von Strom aus dem Netz jedoch in der Regel höher ist, als die Kosten der Stromerzeugung in einer KWK-Anlage, kann es sinnvoll sein, einen Teil der erzeugten Wärme an die Umgebung abzugeben um die Erzeugung von Strom zu erhöhen. Wenn sich die Fahrweise der KWK-Anlage an dem Strombedarf des Kunden orientiert, wird dies als stromgeführte Fahrweise bezeichnet. Das BHKW geht dann nur in Teillastbetrieb, wenn der Strombedarf unterhalb der installierten Leistung der KWK-Anlage liegt. Mit der stromgeführten Fahrweise, wird der größtmögliche Anteil am Strombedarf durch die KWK-Anlage gedeckt. Es darf jedoch auch bei der stromgeführten Fahrweise nicht beliebig viel Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Über das jeweilige Jahr bzw. Monat muss das Hocheffizienzkriterium eingehalt werden, welches besagt, dass mindestens 70% der Energie aus dem Brennstoff in Nutzenergie, also Strom und Wärme, umgewandelt werden muss. Ansonsten können steuerliche Vorteile in Bezug auf die Energiesteuer nicht geltend gemacht werden.
Die netzgeführte Fahrweise nimmt stetig an Bedeutung zu. Bei der netzgeführten Fahrweise wird der Anlagenbetrieb nicht durch den Bedarf des Kunden, sondern durch Netzanforderungen geregelt. Mehrere KWK-Anlagen werden regelungstechnisch zu sogenannten virtuellen Kraftwerken zusammengeschalten. Ist der Strombedarf im Netz höher als die derzeitig erzeugte elektrische Leistung des BHKW, erhöhen mehrere KWK-Anlagen aus dem virtuellen Kraftwerk ihre elektrische Leistung und stützen so die Netzfrequenz. Übersteigt das Stromangebot im Netz den Bedarf, so reduzieren die KWK-Anlagen aus dem virtuellen Kraftwerk ihre Leistung. In der netzgeführten Fahrweise unterstützen die KWK-Anlagen so die Netzstabilität durch das Anbieten von Regelenergie. Die netzgeführte Fahrweise wird mit dem weiteren Ausbau von erneuerbaren Energien zunehmend an Relevanz gewinnen.
| Fahrweise | Prinzip | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|
| wärmegeführt |
Orientierung am Wärmebedarf | Höchste Brennstoffausnutzung | geringere Stromerzeugung |
| stromgeführt |
Orientierung am Strombedarf |
Höchste Stromerzeugung |
geringerer Nutzungsgrad |
| netzgeführt |
Orientierung an Netzanforderungen |
Beitrag zur Netzstabilität Vermarktung von Regelenergie |
Rahmenbedingungen
Die rechtlichen Rahmenbedingungen, denen eine KWK-Anlage unterworfen ist, sind vielseitig. Relevant sind vor allem
- Bundes-Immissionsschutzgesetz, BImSchG
- Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, KWKG
- Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG
- Energiesteuergesetz, EnergieStG
Zweck des BImSchG ist es, die Umwelt, Menschen, Tiere oder jegliche andere Sachgüter vor negativen Umwelteinwirkungen zu schützen und dieser vorzubeugen. Handelt es sich im Rahmen des BImSchG um eine genehmigungsbedürftige Anlage, so regelt es ebenfalls, welche Vorkehrungen gegen schädliche Umwelteinwirkungen getroffen werden müssen um ein hohes Schutzniveau, sei es direkt oder indirekt, durch die Anlage verursacht, zu erreichen.
Im Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, dem KWKG, wird geregelt, dass der Betreiber einer KWK-Anlage Anspruch auf einen Bonus, den sogenannten KWK-Bonus, für jede erzeugte Kilowattstunde Strom erhält. Die Förderung ist, je nach elektrischer Leistung,auf eine bestimmte Förderdauer begrenzt.
Ziel des Erneuerbare-Energien-Gesetz, kurz EEG, ist es, die Energieversorgung nachhaltig im Interesse des Umwelt- und Klimaschutzes, der Schonung von fossilen Rohstoffen, der volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung und Weiterentwicklung von Erneuerbaren Technologien zur Stromversorgung zu fördern. Bis 2050 hat die Bundesregierung das Ziel den Anteil an erneuerbaren Energien auf 80% des Bruttostromverbrauches der Bundesrepublik Deutschland zu erhöhen.
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