ERDGAS.praxis. Kraft-Wärme-Kopplung

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1 ERDGAS.praxis Kraft-Wärme-Kopplung

2 Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung Viele Objekte decken ihren Bedarf an Energie, indem Elektroenergie aus dem öffentlichen Netz bezogen und Wärme vor Ort in einem Kessel erzeugt wird. Während beim Einsatz moderner Technik (z. B. Brennwerttechnik) die Wärme in einem Kessel effizient erzeugt werden kann, sind die dezentrale Erzeugung von Strom in Kraftwerken und der Transport von Strom über die Netze mit vergleichsweise hohen Verlusten verbunden. Im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom in einem Kraftwerk und Wärme in einem Heizkessel kann beim Einsatz eines mit Erdgas betriebenen Block-Heiz-Kraftwerks (BHKW) Primärenergie in Höhe von ca. 36 % eingespart werden. Die CO 2 -Emissionen reduzieren sich um fast 60 %. Auch die Emissionen von Staub, Stickoxiden sowie Schwefeldioxid verringern sich deutlich. Abb. 2: Emissionsentlastung* in % um: Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) setzt an dieser Stelle an. Eine KWK-Anlage erzeugt in einem gekoppelten Prozess aus Erdgas zeitgleich Wärme und Strom am Ort des Verbrauches. Damit werden z. B. Verluste durch die Übertragung von Strom vermieden und die hohen Gesamtwirkungsgrade solcher Anlagen nutzen die im Erdgas enthaltene Energie sehr effizient aus ,5 58 Allgemeine Vorteile einer KWK-Anlage auf einen Blick * bei Erdgaseinsatz in einem BHKW gegenüber getrennter Strom- und Wärmeerzeugung mit Steinkohle und Heizöl EL Staub SO 2 NO x CO 2 KWK-Anlagen weisen eine Reihe von Vorteilen auf: sehr gute Ausnutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie durch höhere Anlagenwirkungsgrade geringe Emissionen, insbesondere an CO 2, Stickoxiden, Staub usw. durch dezentrale Erzeugung am Ort des Bedarfes werden die Netze entlastet Schematischer Aufbau einer KWK-Anlage Quelle: Eine KWK-Anlage setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: dem BHKW bestehend aus: Abb. 1: Kraft-Wärme-Kopplung im Vergleich mit getrennter Strom- und Wärmeerzeugung Getrennte Strom- und Wärmeerzeugung Kraft-Wärme-Kopplung in einem BHKW Energieeffizienz 55 % 87 % Energieeffizienz Energieeinsatz 157 % 36 % 100 % Energieeinsatz 100 % Kraftwerk Kohle ( η = 38 %) Dezentrales BHKW Erdgas 100 % 57 % Kessel Heizöl EL ( η = 90 %) 51 % 13 % 6 % 62 % 2 % el. Übertragungsverluste Energieverluste 70 % 13 % Energieverluste Einsparung Primärenergie durch BHKW: 36 % (natürlich vorkommende Energieträger, wie z. B. Erdgas, Rohöl, Holz, ohne Verluste aus nachgelagerten Umwandlungs- und Transportprozessen) Quelle:

3 dem Antriebsaggregat, bei einem Otto- oder Stirlingmotor dem daran angeflanschten Generator zur Stromerzeugung, bei einer Brennstoffzelle dem Wechselrichter zur Stromerzeugung, den Wärmeübertragern zur Auskopplung von Wärme aus dem Abgas sowie dem Ölkreislauf, der Brennstoffzufuhr, der Abgasanlage sowie der Steuer- und Regelungstechnik. einem Wärmespeicher, um Differenzen zwischen Erzeugung und Bedarf auszugleichen, einem zusätzlichen Wärmeerzeuger (Spitzenlastkessel), der Bedarfsspitzen an Wärme abdecken kann und der Anbindung an das Netz des örtlichen Netzbetreibers zur Einspeisung von überschüssigem Strom sowie Bezug von Strom, wenn die elektrische Leistung der KWK-Anlage den Bedarf nicht decken kann. Typische Antriebsaggregate Typische Antriebsaggregate für Erdgas betriebene BHKW sind Ottomotoren, Stirlingmotoren, Brennstoffzellen und Mikro- Gasturbinen. Die meisten BHKW werden mit Ottomotoren ausgerüstet, da es hier eine Vielzahl von Anbietern mit einer großen Bandbreite an Aggregaten unterschiedlicher elektrischer Leistung gibt (siehe Tab. 1). Prinzipien zur Auslegung einer KWK-Anlage Für den wirtschaftlichen Betrieb einer KWK-Anlage ist die richtige Auswahl der passenden Leistungsgröße (elektrisch und thermisch) des BHKW entscheidend. Eine gute Übersicht Erdgas betriebener BHKW bietet die Broschüre BHKW-Kenndaten der ASUE, die man unter findet. Abb. 3: Prinzipieller Aufbau einer KWK-Anlage Erdgas BHKW Spitzenlastkessel Wärmespeicher Stromnetz Wärme Prinzipiell ist das BHKW so auszuwählen, dass möglichst hohe Vollbenutzungsstunden erreicht werden. Eine Analyse der elektrischen und thermischen Bedarfssituation bildet dafür die Grundlage. Anhand des kompletten Wärmebedarfes ist die thermische Leistung des BHKW zu bestimmen. Dabei gilt, je kleiner die thermische Leistung (bezogen auf den Bedarf) desto höhere Vollbenutzungsstunden können erreicht werden. Als Faustformel für die thermische Leistung des BHKW kann bei normalen Wärmebedarfsprofilen von etwa 20 % der maximalen thermischen Leistungsspitze ausgegangen werden. Damit lassen sich in der Regel mehr als 50 % des Wärmebedarfes decken. Der nicht durch das BHKW gedeckte Wärmebedarf wird dann durch einen zusätzlichen Heizkessel bereitgestellt. Die thermische Leistung des Heizkessels (Spitzenlastkessel) sollte dabei die thermische Leistungsspitze des Wärmebedarfs abdecken können (Spitzenlastkessel), um z. B. die Wärmeversorgung auch bei Wartungsarbeiten am BHKW zu gewährleisten. Für die allermeisten Einsatzfälle sollte das BHKW wärmegeführt betrieben werden. Dabei wird die thermische Leistung des BHKW nach dem aktuellen Bedarf geregelt. Ist im Objekt kein Wärmebedarf vorhanden, so schaltet sich das BHKW nach Befüllen des Wärmespeichers aus. Der zeitgleich mit Antriebsaggregat Ottomotor elektrischer Wirkungsgrad % (nimmt mit der elektrischen Leistung zu) Gesamtnutzungsgrad elektrischer Leistungsbereich Wesentlicher Vorteil Wesentlicher Nachteil > 90 % 1 kw bis mehrere MW bewährte Technik hoher Wartungsaufwand Stirlingmotor % > 95 % bis wenige kw geringe Emissionen sowie Verschleiß Brennstoffzelle bis zu 60 % > 90 % 1 kw bis einstellige MW geringer Wartungsaufwand Mikro-Gasturbine % > 90 % bis 250 kw Wärme mit vergleichsweise hoher Temperatur auskoppelbar niedriger elektrischer Wirkungsgrad hohe Investitionskosten geringer elektrischer Wirkungsgrad Tab. 1

4 der Wärmeerzeugung bereitgestellte Strom wird entweder selbst verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist. Abb. 4: Geordnete Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs (Heizung und Trinkwassererwärmung) Wärmeleistung in kw Die elektrische Leistung des BHKW sollte so gewählt werden, dass nach Möglichkeit ein großer Anteil des erzeugten Stroms selbst genutzt werden kann und der Anteil des ins öffentliche Netz eingespeisten Stroms klein ist. Drei Grundsätze zur Auslegung von BHKW 1. Thermische Leistung so wählen, dass hohe Vollbenutz ungsstunden erreicht werden. 2. Stromeigennutzung geht vor Stromeinspeisung. 3. Eine wärmegeführte Fahrweise ist in den allermeisten Fällen vorzuziehen. Spitzenlastkessel Vollbenutzungsstunden* Kommerzielle Randbedingungen beim Betrieb einer KWK-Anlage BHKW h/a Stunden eines Kalenderjahres * Summe der jährlichen Betriebsstunden gerechnet bei Nennleistung Quelle: Demgegenüber steht die stromgeführte Fahrweise, bei dem die elektrische Leistung des BHKW dem aktuellen Strombedarf angepasst wird. Um hier einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, ist aber ein ausreichend großer Wärmebedarf erforderlich. Ist ein von der elektrischen und thermischen Leistung zum Bedarf passendes BHKW ausgewählt, muss vor der endgültigen Investitionsentscheidung eine detaillierte Vollkostenrechnung erarbeitet werden. Neben den Investitions-, Wartungs- und Brennstoffkosten bestimmen gesetzliche Regelungen in hohem Maße die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage, mit denen der Gesetzgeber den Einsatz von KWK-Anlagen begünstigt. 1. Rückerstattung der Energiesteuer Für das in KWK-Anlagen eingesetzte Erdgas kann die Erdgassteuer in Höhe von derzeit 0,55 ct/kwh vom Hauptzollamt zurückerstattet werden. Kommen bei der so ermittelten thermischen Leistung mehrere BHKW in Betracht, so sind die weiteren Parameter des BHKW wie elektrische Leistung, elektrischer Wirkungsgrad und Gesamtnutzungsgrad zu berücksichtigen. 2. Stromsteuerbefreiung Der in KWK-Anlagen erzeugte Strom ist von der Stromsteuer in Höhe von derzeit 2,05 ct/kwh befreit. Tab. 2: KWK-Gesetz ab 01. Januar 2016 für KWK-Strom aus neuen, modernisierten oder nachgerüsteten KWK-Anlagen (Höhe der Zuschlagszahlungen) Hinweis: Direktvermarktung ab 100 kw (Übergangsfrist bis bis 250 kw) Leistungsgröße der Anlage (unverändert) Zuschlag für Einspeisung in das öffentliche Netz (ct/kwh) Zuschlag für Nicht-Einspeisung in das öffentliche Netz (ct/kwh) (Eigenverbrauch bzw. Selbstvermarktung ohne Netzdurchleitung) Stromlieferung in Kundenanl. bzw. geschloss. Verteilernetz Stromkostenintensive Unternehmen sonstige bis 50 kw 8,00* / ** 4,00* 5,41* / *** 4,00* kw 6,00 (bis 100 kw)* / ** 5,00 (bis 250 kw)* / ** 3,00 (bis 100 kw)* 2,00 (bis 250 kw)* 250 kw 2 MW 4,40* / ** 1,50* 2,40* / *** 2 MW 3,10* / ** 1,00* 1,80* / *** 4,00* / *** 3,00 (bis 100 kw)* (*) +0,3 ct/kwh Bonus für KWK-Anlagen im Anwendungsbereich des Treibhausgas-Emissionshandelsgesetzes (**) +0,6 ct/kwh Bonus für KWK-Anlagen bei Ersatz kohlebtriebener KWK-Anlagen (***) Unternehmen, bei denen das Bafa die EEG-Umlage für selbst verbrauchten Strom begrenzt hat

5 3. Vergütung der vermiedenen Netznutzung Die lokale Eigenerzeugung von Elektroenergie und die damit verbundene Nichtnutzung der vorgelagerten Infrastruktur wird vom Netzbetreiber im Rahmen des KWK-Gesetzes finanziell honoriert. Je nach Netzebene werden Kompensationszahlungen für den eingespeisten Strom zwischen 0,1 und 2,0 ct/kwh gezahlt. 4. Vergütung des eingespeisten Stromes Ebenfalls im Rahmen des KWK-Gesetzes wird der ins öffentliche Netz eingespeiste Strom, basierend auf dem an der EEX veröffentlichten Durchschnittspreis des jeweils vergangenen Quartals, vergütet. ( strom/spotmarkt/kwk-index) 5. Gewährung eines KWK-Zuschlages Der in KWK-Anlagen erzeugte Strom wird im Rahmen des KWK-Gesetzes mit einem Bonus gefördert. Die Höhe des Bonus hängt dabei insbesondere von der elektrischen Leistung ab. Tab. 2 gibt einen Überblick über die Zuschlagszahlungen nach dem KWK-Gesetz mit Stand 01. Januar gewährt, falls die Investitionssumme mindestens 10 % der Investitionssumme einer vergleichbaren Neuanlage beträgt. Bei einer Investitionssumme von mehr als 25 % verlängert sich der Zeitraum auf Vollbenutzungsstunden und von mehr als 50 % auf Vollbenutzungsstunden. Zusammenfassung Die Kraft-Wärme-Kopplung ist eine sehr effiziente und CO 2 - sparende Möglichkeit, direkt vor Ort aus Erdgas Strom und Wärme für den Eigenbedarf zu erzeugen. Es gibt eine Reihe von wirtschaftlichen Vorteilen, die jedoch nur bei sorgfältiger Auslegung und Einbindung einer KWK-Anlage gehoben werden können. Die Entscheidung zur Investition einer KWK-Anlage ist durch eine detaillierte Gesamtkostenberechnung zu untersetzen. Die Gewährung des KWK-Zuschlags erfolgt unterschiedlich lange und ist von Art und Höhe der Investition abhängig. 1. Neuanlagen Neuanlagen mit einer elektrischen Leistung bis 50 kw wird ab Aufnahme des Dauerbetriebes der Bonus für Vollbenutzungsstunden gewährt. Bei einer elektrischen Leistung größer 50 kw werden jedoch nur Vollbenutzungsstunden angerechnet. Betreiber von neuen KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von bis zu 2 kw können sich auf Antrag vom Netzbetreiber vorab eine pauschalierte Zahl ung der Zuschläge für KWK-Strom in Höhe 4 ct/kwh für die Dauer von Vollbenutzungsstunden auszahlen lassen. Der Netzbetreiber ist in diesem Fall verpflichtet, die entsprechende Summe innerhalb von zwei Monaten nach Antragstellung an den Betreiber der KWK-Anlage auszuzahlen. 2. Modernisierte Anlagen Unabhängig von der elektrischen Leistung der KWK-Anlage wird der entsprechende KWK-Bonus für die Dauer von Vollbenutzungsstunden ab Wiederaufnahme des Dauerbetriebes gewährt. Beträgt die Investitionssumme mehr als 50 % der Investitionssumme einer vergleichbaren Neuanlage, verlängert sich die Dauer auf Vollbenutzungsstunden. 3. Nachgerüstete Anlagen Werden KWK-Anlagen nachgerüstet, so wird der KWK-Bonus über einen Zeitraum von Vollbenutzungsstunden

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