Analyse und Optimierung der Heizungsanlage durch Anbindung eines BHKW`s
Ziel ist es die gegenwärtige Situation in einem Seniorenheim detailliert zu analysieren und einen zielgerichteten Einsatz eines BHKW möglich zu machen.
Bewertet werden
- technische
- wirtschaftliche
- ökologische
Kriterien.
Inhaltlicher Aufbau und Übersicht:
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
2. Ist – Zustand der Anlage
2.1 Gas, Öl und Stromverbrauch
2.2 Wartungskosten
3. Optimierungsvariante BHKW`s
3.1 Investition
3.2 Wartungs- und Betriebskosten
3.3 Techn. Daten (Wirkungsgrade etc.)
4. Berechnung der Wirtschaftlichkeit
5. Auswertung der Emissionsreduzierungen und der Primärenergiereduzierung
6. Zusammenfassung und Empfehlung
1. Einleitung
Energetische Optimierung bedeutet höhere Rentabilität und Kosteneinsparung. Jedes Unternehmen sollte deshalb bestrebt sein seinen Energieeinsatz zu hinterfragen und Optimierungen voran zu treiben. Im gemeinnützigen Bereich, in dem dieses Seniorenheim tätig ist, muss noch eine soziale Komponente mit in die Überlegungen einfließen und dem Begriff „Nachhaltigkeit“ Beachtung geschenkt werden.
Eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist eine Energiewandlungsanlage. Sie wandelt mechanische Kraft in elektrischen Strom um und erzeugt dabei Wärme. Ein Blockheizkraftwerk ist so eine Anlage. Man kann sie sich als einen Verbrennungsmotor vorstellen, der einen Generator antreibt, wodurch Strom entsteht. Die abzuführende Wärme wird verwendet um Gebäude zu heizen. Der erzeugte Strom wird entweder selbst genutzt, oder ins Netz eingespeist.
Es gibt die wärmegeführte Auslegung der Anlage, sowie die stromgeführte Auslegung. Diese Unterscheidung gibt Auskunft darüber, wo die Priorität einer Anlage liegt.
Soll sie in erster Linie zum Heizen verwendet werden ist sie z.B. wärmegeführt.
Solche Geräte können mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden. Üblicherweise werden sie mit Erdgas betrieben, da hier der höchste Wirkungsgrad erzielt werden kann. Ferner wird Heizöl verwendet. Doch mit großer Wahrscheinlichkeit werden in Zukunft die erneuerbaren Brennstoffe wie Rapsöl oder Biogas eine entscheidende Rolle spielen. Denn neben dem ökonomischen Hintergrund, Ressourcen und somit auch Geld zu sparen, gibt es noch eine ökologische Überlegung und zwar den CO2- Ausstoß zu senken. Außerdem ist jedem bekannt, dass unsere Reserven fossiler Brennstoffe früher oder später erschöpft sind.
Für all diese Gesichtspunkte bietet die Kraft-Wärme-Kopplung die optimale Lösung, da sie die Energie aus dem Brennstoff zu 90% verwertet.
Anders sieht es bei der herkömmlichen Herstellung von Strom und Heizwärme aus. Da diese Prozesse getrennt ablaufen, entstehen z.B. bei der Stromherstellung Verluste von bis zu 55%, die in Form von Abwärme in die Umwelt abgegeben werden und somit verloren sind. Wird diese Abwärme in aufwendige Fernnetzrohre eingespeist, so sind weitere Verluste vorprogrammiert.
Ein weiterer Aspekt der immer beachtet werden muss, ist der Standort. Ein hoher Wärmebedarf sollte unbedingt gewährleistet sein. Sollte dies nicht der Fall sein, ist ein Blockheizkraftwerk häufig weniger geeignet. Dies lässt sich allerdings im Vorfeld durch die Berechnung des Wärmebedarfs ermitteln. Im Idealfall ist zusätzlich ein hoher Stromverbrauch gegeben, da dann der erzeugte Strom selbst genutzt werden kann. Dies erweist sich insofern als sinnvoll, dass der selbst erzeugte Strom günstiger ist als der des Netzanbieters.
Eine Vielzahl von Gesetzen und Förderungsprogrammen regelt den Einsatz von Blockheizkraftwerken so, dass sie wirtschaftlich betrieben werden können. Die Amortisationszeit ist von Objekt zu Objekt verschieden und kann somit nicht pauschalisiert werden. Eine genauere Betrachtung dieser Thematik bietet diese Ausarbeitung.
1.1 Aufgabenstellung
Das Seniorenheim mit 110 Bewohnern und einer zu beheizenden Fläche von 6000m² wird derzeit über zwei Heizkessel mit Wärme versorgt.
Heizkessel 1 wird als Grundlastkessel mit Gas befeuert, Kessel 2 wird als Spitzenlastkessel durch einen Zweistoffbrenner (Öl, Gas) befeuert.
Der Strom für den Gebäudekomplex wird von der Fa. EON zu einem KW/h Preis von 0,22 € im Hochtarif und 0,20 € im Niedertarif bezogen. Zukünftig soll die Grundlastabdeckung (Heizlast/Strom) ein BHKW übernehmen.
Die Maßnahme soll Energiekosten und CO2 einsparen.
2. Ist- Zustand der Anlage
Im aktuellen Zustand ist die Heizungsanlage mit einem Gas- Brennwertkessel Viessmann Vertomat zur Abdeckung der Grundlast mit 234 kW und einem Öl/Gas- Heizkessel Rondomat 5000 zur Spitzenlastabdeckung mit 380 kW ausgestattet. Beide Kessel verbrauchten im Jahr 2013 800.000 KW/h Gas der Spitzenlastkessel zusätzlich 10.000 Liter Heizöl. Der Warmwasserbedarf der gesamten Einrichtung beträgt ca. 5000 Liter/Tag.
2.1 Gas, Öl, Stromverbrauch
a) Gasverbrauch 2013 800.000 KW/h zu 6,25ct pro KW/h
b) Heizölverbrauch 2013 10.000 Liter zu 66,5ct pro Liter
10.000 Liter Heizöl entsprechen: 10.000 Liter x Energiegehalt 9,5 KW/L = 95.000 KW/h
der Kilowattstundenpreis für Heizöl beträgt demnach 10.000l x 66,5ct / 95.000 KW/h = 7ct pro KW/h
c) Stromverbrauch 2013 360.000 KW/h
dabei wurden im Hochtarifbereich 220.00 KW/h zu 0,22 € pro KW/h
und im Niedertarif 140.000 KW/h zu 0,20 € pro KW/h
2.2 Wartungskosten
Wartungskosten der Heizungsanlage:
a) Grundlastkessel 1350 €/pA
b) Spitzenlastkessel 1350 €/pA
3. Optimierungsvariante BHKW`s
In Zukunft soll die Grundlastabdeckung ein oder mehrere BHKW der Fa. SenerTec (Dachs G5.5) übernehmen. Um festzustellen, wie viel Blockheizkraftwerke sinnvoll betrieben werden können muss zuerst eine Jahresdauerlinie erstellt werden.
Mit einer Auswertung des Gas- und Heizölverbrauches von 2013, sowie mit Hilfe der nötigen Parametereingaben wurde eine Jahresdauerlinie erstellt, mit der die Anzahl der zu installierenden BHKW`s festgelegt werden kann. Die thermische Leistung von 15 kW der BHKW`s wird hierzu in die Dauerlinie gelegt.
Im Fall dieses Seniorenheimes kann ein BHKW idealerweise das ganze Jahr durchlaufen. Bei Einsatz von zwei oder drei BHKW`s könnten zwei der drei Anlagen nur 5760 Stunden Wärme erzeugen, d.h. sie müssten darüber hinaus abgeschaltet werden. Die nachfolgenden Ausführungen sollen einen Entscheidungsgrundlage zum künftigen Anlagenaufbau bilden.
3.1 Investitionen
Vorab ist zu erwähnen, daß an der aktuellen Heizungsanlage aufgrund eines Defektes ein Einbau einer Frischwasserstation und eines Pufferspeichers ansteht. Das bedeutet die Kosten von 5100.- € für den Pufferspeicher fallen auch ohne eine BHKW Variante an und haben somit bei einer Wirtschaftlichkeitsberechnung kein Gewicht. Dasselbe gilt für die Anschlusskosten und Teile der Installationskosten.
| Investition | Grundparameter | Ist-Zustand | Ist-Zustand | BHKW 1:1x Dachs G 5.5 | BHKW 1:1x Dachs G 5.5 | BHKW 2:2x Dachs G 5.5 | BHKW 2:2x Dachs G 5.5 | BHKW 3:3x Dachs G 5,5 | BHKW 3:3x Dachs G 5,5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kapitalgebundene Kosten | Nutzungsdauer | Investitionskosten | Jahreskosten | Investitionskosten | Jahreskosten | Investitionskosten | Jahreskosten | Investitionskosten | Jahreskosten |
| BHKW-Modul 1 | 10 a | 0 €/a | 22.000 € | 2.849 €/a | 44.000 € | 5.698 €/a | 66.000 € | 8.547 €/a | |
| Pufferspeicher 5000 Liter | 10 a | 5.100 € | 660 €/a | 5.100 € | 660 €/a | 5.100 € | 660 €/a | 5.100 € | 660 €/a |
| Wärmezentrale (Frischwasserstation, Anschluss etc.) | 10 a | 8.000 € | 1.036 €/a | 8.000 € | 1.036 €/a | 8.000 € | 1.036 €/a | 8.000 € | 1.036 €/a |
| Installation | 10 a | 5.000 € | 648 €/a | 15.000 € | 1.943 €/a | 20.000 € | 2.590 €/a | 25.000 € | 3.238 €/a |
| Planungskosten 8-12% | 10 a | 0 €/a | 5.400 € | 699 €/a | 8.200 € | 1.062 €/a | 11.000 € | 1.425 €/a | |
| Unvorhergesehenes (5%) | 10 a | 905 € | 117 €/a | 2.775 € | 359 €/a | 4.265 € | 552 €/a | 5.755 € | 745 €/a |
| Summe | 19.005 € | 2.461 €/a | 58.275 € | 7.547 €/a | 89.565 € | 11.599 €/a | 120.855 € | 15.651 €/a |
Die Installationskosten sind je nach Anzahl der benötigten BHKW`s entsprechend der Tabelle gestaffelt. Die Installation der Frischwasserstation an die Altanlage kostet 5.000 € und verringert ebenfalls die Differenz der Kosten gegenüber des aktuellen Zustandes. Desweiteren sind Planungs- und Kosten für Unvorhergesehenes der Tabelle zu entnehmen. Je nach Variante sind Investitionsvolumen von 58.000 € bis 120.000 € zu erwarten.
3.2 Wartungs- und Betriebskosten
Die Wartungs- und Instandsetzungskosten von BHKW`s insbesondere der Senertec Dachs Module sind erfahrungsgemäß relativ hoch. In der oben angeführten Tabelle wird dies bestätigt. Selbst mit nur einem BHKW sind die Wartungs- und Instandhaltungskosten fast doppelt so hoch als die des Ist- Zustandes.
Eine genaue Ermittlung wie sich die Wartungskosten zusammensetzen, welche Varianten es gibt, Vor- und Nachteile eines Wartungsplanes, sowie ein Vergleich mit den Wartungskosten einer gewöhnlichen Anlage ist zur Feststellung der Wartungs- und Betriebskosten sehr wichtig. Ebenfalls muss eine klare Aussage über die Lebensdauer einer solchen Heiz-Kraft- Anlage getroffen werden. Es ist ein grundsätzlich wichtiger Punkt der sich bei dieser Anlage dadurch verstärkt, dass erst nach einer gewissen Zeit die Amortisation der Investition eintritt. Man sollte auch hier im Vergleich zu einer herkömmlichen Zentralheizung arbeiten.
3.3 Techn. Daten (Wirkungsgrade etc.)
In der unten angeführten Tabelle können die Kenndaten der angedachten BHKW Module entnommen werden.
4. Berechnung der Wirtschaftlichkeit
Durch Eingabe und Bearbeitung der Daten in das Berechnungstool wurde die nachfolgende Tabelle erstellt aus der die wichtigsten Titel und Daten zur Wirtschaftlichkeitsberechnung zu entnehmen sind.
Um einen realistischen Eindruck der Wirtschaftlichkeit über einen Zeitraum von 10 Jahren zu erhalten ist die unten ausgeführte Tabelle mit Berechnungen zu Preissteigerungsraten, Rückerstattungen etc. unabdingbar.
Beispiel: Senertec Dachs Image
Der nachfolgenden Tabelle kann eine Zusammenfassung der ausgearbeiteten Ergebnisse entnommen werden.
Die anschließende Visualisierungen zeigen deutlich die Effektivität eines Einsatzes von BHKW`s auf und machen die Ausarbeitung sehr anschaulich. Zunächst wird der Energiepreis pro MW/h analysiert in der zweiten Grafik die Einsparungen über 10 Jahre.
5. Auswertung der Emissionsreduzierungen und der Primärenergiereduzierung
Zur Auswertung dieser ökologischen Aspekte stellt das IHK Excel Tool ebenfalls ein geeignetes Werkzeug zu Verfügung. Alle Daten können der Tabelle entnommen werden.
6. Zusammenfassung und Empfehlung
Die Wirtschaftlichkeitsprognose für das Projekt „Kraft- Wärmekopplung als Alternative zu einer herkömmlichen Heizungsanlage im Seniorenheim zeigt sehr anschaulich die Rentabilität eines solchen Konzeptes auf. Der Energiepreis pro Megawattstunde kann bei allen drei Varianten im Bezug zur ursprünglichen Heizungsanlage deutlich verringert werden. Desweiteren sind die Einsparungen über zehn Jahre Laufzeit enorm und sollten jeden wirtschaftlich orientierten Menschen ansprechen.
Der ökologische Grundgedanke dieser Technologie muss in Zeiten von Klimawandel und Kyotoprotokoll genauer betrachtet werden. Dieser liegt darin, die Stromerzeugung als Nebenprodukt zu betrachten, welche bei der Erzeugung von Heizwärme entsteht. Dieser Strom wird vor Ort verbraucht oder ins Stromnetz eingespeist. Mit Blockheizkraftwerken können deutlich höhere Wirkungsgrade erzielt werden als bei herkömmlichen Systemen mit lokaler Heizung und zentraler Stromversorgung. Hier kann die Abwärme vor Ort genutzt werden.
Ein modernes Steinkohle-Großkraftwerk erreicht einen Wirkungsgrad von 45%. Daraus lässt sich schließen, dass ein Verlust von 55% eintritt. Diese 55% Verluste liegen in Form von Abwärme vor, welche über aufwendigen Rohrnetzen und längere Strecken (weiterer Verlust ca.10-15%) zum Heizen weitergeleitet werden müssen.
Da ein Blockheizkraftwerk in erster Linie heizen soll, fällt die elektrische Leistung von „nur“ ca. 38% nicht weiter ins Gewicht, da sich addiert mit der thermischen Leistung ein Wirkungsgrad von etwa 90% einstellt. Dies ist durch kurze Wege und somit geringe Verluste möglich. Der Wirkungsgrad lässt sich nochmal steigern, wenn Brennwerttechnik zum Einsatz kommt. Hierbei wird die Kondensationswärme des Abgases ausgenutzt.
Somit wird eine optimale Nutzung des Brennstoffes gewährleistet. Dieses bewirkt erstens weniger Verschwendung von Ressourcen und zweitens weniger CO2-Eintrag in die Luft.
Auch in dieser Ausarbeitung ist eine enorme Einsparung von Primärenergie und eine deutliche Reduzierung von CO2 festzustellen.
Als abschließende Empfehlung ist zu einer Investition in die Zukunft durch Einsatz eines oder mehrerer Blockheizkraftwerke zu raten. Wenn das freigestellte Budget mit einer ausreichenden Summe ausgestattet ist, sollte die Lösung mit drei BHKW`s forciert werden, ansonsten muss unbedingt die „kleine Lösung“ mit einem BHKW anvisiert werden um für die nächste Dekade gut aufgestellt zu sein.
Autor: Michael Bein - Energiemanager (IHK)
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