Mit der Verfügbarkeit von effizienten

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1 Planen und Installieren von KWK-Anlagen (2) Erste Planung und Auslegung AUF EINEN BLICK Anhand von zwei Objektbeispielen wird in diesem zweiten Teil unserer Serie deutlich, unter welchen Rahmenbedingungen sich der Einsatz der unterschiedlichen BHKW-Leistungsklassen lohnt. Hinweise zur Auslegung von Spitzenlastkessel und BHKW runden die Ausführungen in diesem planungsorientierten Artikel ab. Fortsetzung aus»de«8/2011 Im ersten Teil unserer Serie zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) standen grundlegende Informationen zur Technologie, dem Markt und den Einsatzmöglichkeiten von vorkonfigurierten Komplettsys - temen für das Fachhandwerk im Mittelpunkt. In Teil 2 dreht sich alles um die erste Planung und Auslegung von BHKWs in verschiedenen Leistungsklassen. Mit der Verfügbarkeit von effizienten Mikro-BHKW mit Gas-Verbrennungsmotor im kleinsten Leistungsbereich wird die Investition in die KWK auch bereits für kleinere Objekte wirtschaftlich (Bild 5). Lange Laufzeiten reduzieren die Zahl der Startvorgänge, was den Verschleiß des Aggregats vermindert und die Lebensdauer des Motors erhöht. Obwohl sich die in diesem Beitrag behandelten Mikro- und Mini-BHKWs grundsätzlich in verschiedenen technischen Merkmalen unterscheiden, kann die eigentliche Planung auf wesentliche Basisfakten zusammengeführt werden. BHKWs werden meist parallel zu einem Heizkessel in die Haustechnik eingebunden. Dieser deckt die Spitzenlast ab und wird idealerweise direkt vom BHKW oder einem Systemregler angesteuert. Durch die Leistungsmo - dulation erweitert sich bei Leistungsklassen ab 3kW elektrischer Leistungsabgabe das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten und der Anlagenbetreiber profitiert von einer erheblich höheren Stromproduktion. Grundsätzlich ist jedes Gebäude mit einem aus - reichenden, ganzjährigen Strom- und Wärmebedarf für den Einsatz eines Mini-BHKWs geeignet. Grundsätzliche Planungsschritte Bei der Planung eines Blockheizkraftwerkes sind einige grundsätzlichen Schritte zu beachten. Hierzu zählen: Aufnahme Gebäude und Nutzerdaten Jahresenergiebedarf; im Gebäudebestand belegt durch Heizkostenabrechnung, im Neubau durch Berechnung Jahresstromverbrauch; im Gebäudebestand belegt durch möglichst monatliche Abrechnungen, im Neubau Abschätzung Auslegung BHKW und Spitzenlastkessel anhand der Jahresdauerlinie Wärmebedarf Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Detailplanungen Aufnahme von Gebäudeund Nutzerdaten Neben dem geografischen Standort sind folgende Daten relevant: Art des Objekts, Baujahr, Dämmstandard, Nutz - Bild 5: Effiziente Mikro-BHKW mit Gas-Verbrennungsmotor im kleinsten Leistungsbereich machen Investitionen in die KWK auch für kleinere Objekte wirtschaftlich Quelle: Vaillant 40 de 9/2011

2 fläche, Personenzahl, ggf. weitere Wärmeverbraucher, installierter Heizkessel (Typenschild und Schornsteinfeger protokoll), verfügbarer Platz im Heizungsraum, Heizkreistemperaturen und Möglichkeiten der hydraulischen Einbindung etc. Ermittlung des Wärmebedarfs Für die Planung eines BHKWs ist genauso wie bei der Auslegung eines Wärmeerzeugers der Wärmebedarf des zu versorgenden Objektes zu bestimmen. Bei bestehenden Gebäuden ist der Wärmebedarf be - kannt. Er kann anhand der Heizkostenabrechnungen unter Berücksichtigung des abgeschätzten Kesselnutzungsgrades ermittelt werden. Je detaillierter die Angaben vorliegen, desto genauer kann die Auslegung des BHKWs erfolgen. Jahresstromverbrauch Der jährliche Strombedarf hängt in besonderer Weise vom Nutzerverhalten ab. Bei bestehenden Objekten sollte auf jeden Fall die Stromabrechnung möglichst monatsweise ausgewertet werden. In Neubauten geben Normverbrauchstabellen Anhaltswer - te. Insbesondere in Einfamilienhäusern können diese typischen vom VDEW ausgewerteten Verbrauchsdaten deutlich über-, aber auch unterschritten werden. Sie hängen stark von der Ausstattung und den Nutzergewohnheiten ab. Außer für Mehrfamilienhäuser sind bei größeren Objekten Annahmen zum Stromverbrauch sehr vorsichtig zu bewerten. Wann immer Stromverbräuche bekannt sind, sind diese für die Planung des BHKWs anzusetzen. Auslegung von BHKW und Spitzenlastkessel mit Jahres kennlinie»wärmebedarf«anhand von Jahresdauerlinien (Bild 6) kann für das zu versorgende Objekt recht einfach die Auslegung eines BHKW durchgeführt werden. Ziel der Auslegung ist die Erreichung möglichst hoher Volllaststunden. Die gemäß EnEV ermittelte maximale Wärmeleis - tung des Gebäudes tritt nur bei der zugrunde gelegten Normaußentemperatur auf. In der übrigen Zeit ist die Wärmeanforderung von der Jahres- und Tageszeit sowie vom Nutzerverhalten abhängig und deutlich niedriger. Werden alle während eines Jahres auftretenden Leistungen unter Berücksichtigung der Dauer nach ihrer Größe sortiert, ergibt sich die sogenannte Jahresdauerlinie. Die Jahresdauerlinie kann anhand von Messwerten erstellt oder anhand von mathematischen Gleichungen und Erfahrungswerten be rechnet werden. Die Fläche unter der Kurve der Jahresdauerlinie entspricht mathematisch gesehen der gesamten, in einem Jahr benötigten Wärmeenergiemenge (in Kilowattstunden). Je größer die vom BHKW ausgefüllte Fläche ist, desto größer ist der Anteil am gesamten Jahreswärmebedarf. Da mit dem BHKW Wärme und Strom produziert werden, ist aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht ein hoher Anteil anzustreben. de 9/2011

3 OBJEKTBEISPIEL 1 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für ein leistungsmodulierendes Mini-BHKW in einem Hotel mittlerer Größe Dem Berechnungsbeispiel wird eine Wärmebedarfs- und Strombedarfssimulation zugrunde gelegt. Mit der gekoppelten Wärmeerzeugung (BHKW) wird die Wärmegrundlast abgedeckt. Für die Zeitabschnitte mit höherem Warmwasserbedarf wird ein zusätzlicher Spitzenlastkessel eingesetzt. Energiebedarf: Wohn-/Nutzfläche: 650m 2 Wärmebedarf Heizung: kWh/a Wärmebedarf Warmwasser: 20900kWh/a Prozesswärmebedarf: 21000kWh/a Gesamtwärmebedarf: kWh/a (incl. Netzverluste) Strombedarf: 92000kWh/a Energieproduktion: Wärmeerzeugung BHKW: 96000kWh/a Geräteleistung: 12,5kWth Wärmeerzeugung Spitzenlastkessel: 82900kWh/a Kesselleistung: 320kW Wärmeerzeugung Gesamt: kWh/a Stromerzeugung: 36100kWh/a Vollbenutzungsstunden: 7678h/a BHKW-Deckungsanteil Wärme: 53,6% Jahresnutzungsgrad: 82,1% (bezogen auf H o ) Bei der Betrachtung der Brennstoffbilanz zeigt sich im Vergleich von gekoppelter und getrennter Energieerzeugung die effizientere und damit umweltschonendere Ausnutzung der Brennstoffe beim Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung: Brennstoffbedarf bei gekoppelter bei getrennter Energieerzeugung Energieerzeugung BHKW kWh/a Spitzenlastkessel 92700kWh/a Heizkessel kWh/a Kraftwerk (Wirkungsgrad 39%, 97400kWh/a Netzverlust 5%) Gesamtbedarf kWh/a kWh/a In den Wirtschaftlichkeitsvergleich fließen die durch den selbst erzeugten Strom eingesparten Stromkosten, die Vergütung für eingespeisten Strom sowie Steuervergünstigungen ein (eingesparte Stromsteuer und Mineralölrückerstattung). Wirtschaftlichkeitsvergleich Mini-BHKW mit Konventionelles Heizsystem Spitzenlastheizkessel und Strombezug aus der öffentlichen Energieversorgung Betriebskosten einschl. Kapitalkosten /a 9054 /a eingesparte Strombezugskosten 4575 /a eingesparte Stromsteuer 558 /a Stromeinspeisung incl. KWK-Bonus 81 /a Energiesteuerrückerstattung 884 /a Gesamterlös 6098 /a Nettokosten 6639 /a 9054 /a Erwirtschafteter Überschuss einschl. Kapitalkosten 2415 /a In diesem Objektbeispiel wird aufgrund des hohen Strombedarfs der größte Anteil des durch das Mini-BHKW erzeugten Stroms im Gebäude direkt verbraucht. Entsprechend niedrig fällt die erwirtschaftete Einspeisevergütung aus. Beurteilungsmaßstab: Das BHKW-System ist wirtschaftlich, wenn die Nettokosten gleich hoch oder niedriger sind als die des zum Vergleich herangezogenen konventionellen Heizsystems. In der Regel wird das BHKW nicht auf eine Volldeckung des Wärmebedarfs ausgelegt. Dies würde trotz Leis - tungsmodulation zu geringen Laufzeiten und damit einerseits zu einer schlechten Ausnutzung des eingesetzten Kapitals und andererseits zu einer geringen Stromproduktion führen, sodass der wirtschaftliche Betrieb nur in seltenen Fällen gegeben ist. Für Hotels und ähnliche Objekte mit hohem sommerlichen Wärmebedarf können auch Laufzeiten > 8000h angestrebt werden. Ein Spitzenlastkessel deckt die über die Grundlast hinaus angeforderte Wärme und kann entsprechend kleiner dimensioniert werden, als dies bei alleiniger Versorgung mit Gas- oder Ölkessel der Fall wäre. Der produzierte Strom wird entweder eigenverbraucht oder ins Netz eingespeist und entsprechend vergütet. Je mehr Strom dabei direkt im Objekt verbraucht wird, desto wirtschaftlicher arbeitet das BHKW. Optimale Wirtschaftlichkeit erreichen Objekte, bei denen nicht mehr als 10% des Stroms verkauft wird und der Zusatzstrombezug nicht über 20% 30% des Referenzstromverbrauchs liegt. Pufferspeicher verschieben die Jahresdauerlinie und sorgen damit für höhere Laufzeiten und verringerte Startvorgänge entweder in Form von Multi-Funktionsspeichern, die eine einfache hydraulische Verschaltung von Heizkreisen, Trinkwarmwasserversorgung und Wärmeerzeugern ermöglichen oder in Form von Pufferspeichern mit getrenntem Trinkwarmwasserspeicher bei Objekten mit großem Warmwasserbedarf. Die Größe des Trinkwarmwasserspeichers muss in Hinblick auf die Versorgungssicherheit ausgelegt werden. Das BHKW kann parallel oder in Reihe mit dem Spitzenlastkessel eingebunden werden (Bild 7). Bei der meist realisierten parallelen Einbindung wird die vom BHKW erzeugte Wärmeenergie parallel zum Spitzenlastkessel entweder über einen Speicher oder über eine hydraulische Weiche eingebunden. Das BHKW liefert die Grund - lastwärme und steuert bei erhöhtem Wärmebedarf den möglichst modulierenden Spitzenlastkessel an. Reicht die vom BHKW erzeugte Vorlauftemperatur von max. 75 C nicht aus, können das BHKW und der Spitzenkessel auch in Serie geschaltet werden. Der Kessel liefert dann den fehlenden Temperaturhub. 42 de 9/2011

4 Bild 6: Anhand von Jahresdauerlinien kann für das zu versorgende Objekt recht einfach die Auslegung eines BHKW durchgeführt werden. Die Grafik zeigt die Auswirkungen des Puffer-Managements auf die Jahresdauerlinie Wärme- oder stromgeführter Betrieb Wärmelast [in % der max. Wärmelast] Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs und BHKW Stunden des Jahres Quelle: Vaillant BHKWs können grundsätzlich wärmeoder stromgeführt betrieben werden. Beim wärmegeführten Betrieb wird die Leistung des BHKW durch Drehzahlregelung oder mit Hilfe eines intelligenten Systemmanagements dem Heizbedarf angepasst. Dieser Modus eignet sich besonders für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Im Betriebsmodus Stromführung wird die Drehzahl nach dem Strombedarf des Betreibers geregelt. Dies ist dann von Vorteil, wenn mit dem BHKW die elektrische Grundlast abgedeckt und/ oder Leistungsspitzen gebrochen werden sollen. Bild 7: Durch die erstmalige Verfügbarkeit von hoch effizienten mikro-bhkw mit Gas-Verbrennungsmotor im kleinsten Leistungsbereich wird die Investition in die KWK auch bereits für kleinere Objekte wirtschaftlich Quelle: Vaillant de 9/

5 OBJEKTBEISPIEL 2 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für ein leistungsmodulierendes Mini-BHKW in einem Einfamilienhaus mit Schwimmbad (Hallenbad mit Sauna), Drei-Personen-Haushalt Dem Berechnungsbeispiel wird eine Wärmebedarfs- und Strombedarfssimulation zugrunde gelegt. Mit der gekoppelten Wärmeerzeugung (BHKW) wird die Wärmegrundlast abgedeckt. Für die Zeitab-schnitte mit höherem Warmwasserbedarf wird ein zusätzlicher Spitzenlastkessel eingesetzt. Energiebedarf: Wohn-/Nutzfläche: 330m 2 Wärmebedarf Heizung: 38200kWh/a Wärmebedarf Warmwasser: 3400kWh/a Prozesswärmebedarf: 89100kWh/a Schwimmbecken Gesamtwärmebedarf: kWh/a (incl. Netzverluste) Strombedarf: 23500kWh/a Energieproduktion: Wärmeerzeugung BHKW: 98600kWh/a Geräteleistung: 12,5kWth Wärmeerzeugung Spitzenlastkessel: 32100kWh/a Kesselleistung: 66kW Wärmeerzeugung Gesamt: kWh/a Stromerzeugung: 37100kWh/a Vollbenutzungsstunden: 7887h/a BHKW-Deckungsanteil Wärme: 75,5% Jahresnutzungsgrad: 82,1% (bezogen auf H o ) Bei der Betrachtung der Brennstoffbilanz zeigt sich im Vergleich von gekoppelter und getrennter Energieerzeugung die effizientere und damit umweltschonendere Ausnutzung der Brennstoffe beim Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung: Brennstoffbedarf bei gekoppelter bei getrennter Energieerzeugung Energieerzeugung BHKW kWh/a Spitzenlastkessel 37600kWh/a Heizkessel kWh/a Kraftwerk (Wirkungsgrad 39%, 95000kWh/a Netzverlust 5%) Gesamtbedarf kWh/a kWh/a In den Wirtschaftlichkeitsvergleich fließen die durch den selbst erzeugten Strom eingesparten Stromkosten, die Vergütung für eingespeisten Strom sowie Steuervergünstigungen ein (eingesparte Stromsteuer und Mineralölrückerstattung). Wirtschaftlichkeitsvergleich Mini-BHKW mit Konventionelles Heizsystem Spitzenlastheizkessel und Strombezug aus der öffentlichen Energieversorgung Betriebskosten einschl. Kapitalkosten /a 6685 /a eingesparte Strombezugskosten 3436 /a eingesparte Stromsteuer 470 /a Stromeinspeisung incl. KWK-Bonus 1219 /a Energiesteuerrückerstattung 908 /a Gesamterlös 6033 /a Nettokosten 4625 /a 6685 /a Erwirtschafteter Überschuss einschl. Kapitalkosten 2060 /a In diesem Objektbeispiel steht einem Strombedarf von 23500kWh/a eine Stromproduktion durch das Mini-BHKW von 37100kWh/a gegenüber. Aus den eingesparten Strombezugskosten, der Vergütung für eingespeisten Strom, dem KWK-Bonus und den Steuervergünstigungen ergibt sich für den Anlagenbetreiber ein jährlicher Überschuss von 2060, durch den sich die Investition refinanziert. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Die nebenstehenden Beispiele verdeutlichen anhand der Daten aus Wirtschaftlichkeitsberechnungen, welche Erlöse sich abhängig vom Wärme- und Strombedarf eines Gebäudes durch den BHKW-Strom erzielen lassen. Die Zahlen stammen aus Simulationsberechnungen für ein mittelgroßes Hotel und ein Einfamilienhaus mit Schwimmbad, die jeweils über ein leistungsmodulierendes BHKW versorgt werden. In einem Wirtschaftlichkeitsvergleich werden jeweils die äquivalenten Betriebskosten für ein konventionelles Heiz - system gegenübergestellt. Die dargestellten Ergebnisse der Rechenbeispiele sind gegenüber den ausführlichen Wirtschaftlichkeitsberechnungen stark verdichtet und beruhen teilweise auf umfangreichem Datenmaterial, welches in einem speziellen Berechnungsprogramm zusammengeführt und aufbereitet wird. Grundsätzlich gilt: Je höher der ganzjährige Strom- und Wärmebedarf eines Ge bäudes insgesamt ist, desto wirtschaftlicher arbeitet das BHKW. Dabei sollte das BHKW in seiner Leistung immer dem Bedarf angepasst sein. Weil die Stromüberschüsse ins öffentliche Netz eingespeist werden, bestimmt in der Regel der Jahresverlauf des Wärmebedarfs die Betriebsstundenzahl je höher, desto kürzer fällt die Amortisationszeit aus. Die Kästen Objektbeispiel 1 und 2 zeigen die Ergebnisse von Wirtschaftlichkeitsberechnungen bei zwei Ob - jektbeispielen. Detailplanung Mini- und mikro-bhkws werden an - schlussfertig geliefert. Am Gerät finden sich die Anschlüsse für Vor- und Rükklauf der Heizung, Gaszufuhr, Abgasanschluss mit Kondensatablauf (bei Brennwertnutzung), Zuluft für die Verbrennungsluftversorgung, Elektroanschluss (3 ~ 400V bzw. 1 ~ 230V) sowie die Verbindungspunkte für Temperaturfühler, Pumpen und Mischventile. Bis hierher ist kein nennenswerter Unterschied zur Installation eines konventionellen Gas-Heizgerätes festzustellen. Auch der Aufstellraum muss den üblichen Vorschriften für Heizräume entsprechen. Im Einzelnen gilt es Folgendes zu beachten: 44 de 9/2011

6 Verbrennungsluftversorgung Die Verbrennungsluft bezieht das Kleinkraftwerk, das insofern ein raumluftabhängiges aber auch raumluftunabhängiges Gasgerät sein kann, aus dem Heizraum oder über eine direkte Frischluftversorgung von außen. Die Luftzuführung kann über eine Lüftungsleitung erfolgen, die direkt am Gerät angeschlossen wird. Sicherung gegen Verschieben, Schallschutz Zur Körperschallentkopplung muss bauseitig ein für das Gewicht geeigneter Sockel hergestellt werden. Das Gerät selbst wird auf vom Hersteller vorgegebene Schwingungsdämpfer ge stellt. Da vom Motor Vibrationen ausgehen, ist zudem das Sichern gegen Verrutschen notwendig. Um notfalls solche Bewegungen auszugleichen und um Schallübertragungen auf angeschlossene Rohrleitungen zu verhindern, müssen bei Mini-BHKWs in der Regel die Rohranschlüsse auch der Gasanschluss mit flexiblen, zugelassenen Schläuchen ausgeführt werden. Bei Mikro-BHKWs wie dem ist dies meist nicht notwendig, da zwischen BHKW und Wärmeauskopplungsmodul flexible Schläuche integriert sind und der ausführende Fachhandwerker nur die in ihrer Ausführung gewohnten Verbindungen zum Wärmeauskopplungsmodul legen muss. Kondensatableitung Für die Ableitung des Kondensats, das durch den Brennwertbetrieb anfällt, ist ein Entwässerungsanschluss und gegebenenfalls eine Neutralisationseinrichtung vorzusehen. Abgasleitung Die Abgasführung kann wie bei einem normalen Brennwertgerät ausgewählt werden. Elektrische Einbindung Die Installation des Mini-BHKWs muss im Vorfeld mit dem zuständigen Energieversorgungsunternehmen abgestimmt und durch einen konzessionierten Elektrofachbetrieb angemeldet werden. Ist die vom BHKW produzierte elektrische Leistung größer als der momentane Eigenbedarf des Gebäudes, wird elektrische Energie in das Versorgungsnetz eingespeist. Wird mehr Strom benötigt, als das BHKW erzeugen kann, wird zusätzlich Strom vom Versorger bezogen. Je nach Vorgabe des EVU wird der Generator über einen Stromzähler ohne Rücklaufsperrung angeschlossen. Stromeinspeisung und -bezug werden über das Zählwerk gegeneinander verrechnet. Anderenfalls werden sowohl ein Bezugs- als auch ein Rückspeise zähler installiert. Im dritten Teil unserer Serie zur Kraft-Wärme- Kopplung werden die Be reiche Einbindung in bestehende Heizanlagen sowie Inbetriebnahme und Wartung behandelt. (Fortsetzung folgt) Martin Schellhorn, Die Agentur, Haltern am See de 9/2011