Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken

Diplomarbeit von Wolfgang Pauleickhoff

Einleitung:

Angesichts einer zu erwartenden Energieverknappung und der Auswirkungen des Treibhauseffektes sind national und international energiepolitische Entscheidungen getroffen worden. Diese sind einerseits länderübergreifend. Das Kyoto-Protokoll ist hierbei besonders zu nennen. Andererseits sind auf nationaler Ebene Gesetze, wie in Deutschland das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz oder das Erneuerbare-Energien-Gesetz, beschlossen worden.

Durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz werden Blockheizkraftwerke gefördert. Diese produzieren Strom und Nutzwärme gleichzeitig und nutzen so die eingesetzten Energieträger effizient aus. Durch geeignete Maßnahmen kann die Wirtschaftlichkeit von kleinen Blockheizkraftwerken weiter optimiert werden. Das Augenmerk soll hierbei besonders auf der Kopplung an den Strompreis liegen.

Problemstellung:

Die Versorgung mit Strom durch die Energieversorger muss auch bei dem Auftreten von Lastspitzen garantiert sein. Um dies sicherzustellen, sind von den Energieversorgern entsprechend hohe Kraftwerkskapazitäten bereitzuhalten. Die in den Lastspitzen zuzuschaltenden Kraftwerke müssen schnell hochzufahren sein. Hierfür kommen nur bestimmte Kraftwerkstypen in Frage. Diese Kraftwerke werden nur für kurze Zeit am Tag oder sogar nur an einigen Tagen im Jahr zugeschaltet. Diese Spitzenlastkraftwerke haben also relativ geringe Laufzeiten. Sie finanzieren sich über den Strompreis, wie alle anderen Kraftwerke auch. Hierdurch und durch den meist in Spitzenlastkraftwerken eingesetzten primären Energieträger Erdgas ist der so produzierte Strom verhältnismäßig teuer.

Durch die Entwicklung effektiverer Miniblockheizkraftwerke wird deren Verwendung in Einfamilienhäusern, an Stelle einer gewöhnlichen Heizungsanlage oder ergänzend zu dieser, immer vorteilhafter. Entsprechend steigen die Zahlen bei den Installationen von Blockheizkraftwerken der Größenordnung von 5 kW elektrischer Leistung. Durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz wird dem Hauseigentümer die Abnahme des von ihm produzierten Stromes garantiert. Dies hat für den Energieversorger den Nachteil, dass der Strom gerade dann produziert wird, wenn die Heizung anspringt. Dies geschieht aber in der Regel nicht in dem Zeitraum, in dem Leistungsspitzen im Stromnetz abzudecken sind.

Der Strom aus diesen Miniblockheizkraftwerken steht, entsprechend seiner Vergütung nach dem Grundlaststrompreis, in Konkurrenz zum Strom, der in den Grundlastkraftwerken produziert wird. Diese Kraftwerke sind großteils bereits abgeschrieben und liefern ihren Strom entsprechend günstig.

Den Beginn dieser Arbeit bildet die Beschreibung des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Zusammenhang wird auch auf den grundsätzlichen Vorteil der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung gegenüber der zentralen Energieerzeugung eingegangen, der durch eine effizientere Ausnutzung der eingesetzten Primärenergieträger entsteht. Es folgt eine Erörterung der verschiedenen technischen Verfahren der Kraft-Wärme-Kopplung und der hieraus resultierenden verschiedenen Blockheizkraftwerkstypen. Dabei werden Kenngrößen wie Wirkungsgrad, Stromkennzahl und sonstige technische Eigenschaften verglichen. Entsprechend ergeben sich für die verschiedenen Blockheizkraftwerkarten jeweils typische Einsatzfelder.

Es sind Gesetze und Förderprogramme aufgelegt worden, um die Kraft-Wärme-Kopplung zu fördern. Diese werden in Bezug auf die Förderung der Miniblockheizkraftwerke näher untersucht. Mit den hieraus resultierenden garantierten Vergütungen folgt im weiteren Verlauf dieser Arbeit eine Wirtschaftlichkeitsberechnung. Zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Miniblockheizkraftwerken werden verschiedene Szenarien der Stromvergütung zu Grunde gelegt. Die erste Berechnung legt die derzeitige, gesetzlich garantierte, Stromvergütung nach dem Grundlaststrompreis zugrunde. In einer zweiten Rechnung wird unterstellt, dass die gesamte tägliche Stromproduktion auf die Zeit zwischen 8 Uhr und 20 Uhr verschoben wird. Während dieser Zeit kann der durchschnittliche Strompreis für Spitzenlaststrom angesetzt werden, durch den eine höhere Vergütung erzielt wird. Eine weitere Wirtschaftlichkeitsberechnung unterstellt eine Vergütung nach dem zur Zeit der Einspeisung aktuellen Strompreis. Es wird hierbei angenommen, dass die tägliche Laufzeit des Blockheizkraftwerks in dem Bereich der maximalen Stromvergütung stattfindet. Um eine repräsentative Aussage zu erhalten, wird diese Berechnung rückwirkend, über ein Jahr hinweg, durchgeführt. Hierzu wird stundengenau der Preis an der Leipziger Strombörse herangezogen. Die angenommenen täglichen Laufzeiten des Miniblockheizkraftwerks werden unter Berücksichtigung der jeweiligen täglichen Außentemperatur errechnet.

Mit den verschiedenen Wirtschaftlichkeitsberechnungen soll gezeigt werden, dass es ökonomisch sinnvoll ist, die Miniblockheizkraftwerke an den Spitzenbedarf des Stromnetzes bzw. den Strompreis zu koppeln. Bei dieser zeitlichen Optimierung besteht dann die Notwendigkeit, die gesetzliche Vergütung des eingespeisten Stromes entsprechend zu garantieren. Die Blockheizkraftwerke stehen somit weniger in Konkurrenz zu den Grundlastkraftwerken der Energieversorger, sondern eher zu den Spitzenlastkraftwerken.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.4, Wirtschaftlichkeitsberechnung bei Vergütung nach dem Baseload-Strompreis:

In dieser ersten Betrachtung, nach heutiger gesetzlicher Mindestvergütung, wird zunächst verglichen, ob es wirtschaftlich günstiger ist, den produzierten Strom selbst zu verwenden oder ihn zu den Konditionen des Baseload-Strompreises zu verkaufen. Da für diese Arbeit keine reelle Datenreihe über die täglichen Laufzeiten eines Miniblockheizkraftwerkes vorlag, wird im Folgenden eine solche Datenreihe konstruiert. In der Summe ergeben die täglichen Laufzeiten die Jahreslaufleistung. Ein Vergleich zu der vorab bestimmten Jahresmindestlaufzeit, siehe Kapitel 4.3, Break-even-point-Betrachtung, ist damit möglich. Zu den derzeit geltenden Rahmenbedingungen kann somit eine erste Aussage über die Wirtschaftlichkeit des Miniblockheizkraftwerks als alternative Heizungsanlage für ein kleines Wohnhaus getroffen werden.

Vergleich von Stromeigenverwendung zu Stromverkauf:

Bei Eigenverwendung ergibt sich der Vorteil dadurch, dass benötigter Strom nicht zugekauft werden muss. Zugekaufter Strom kostete im gleichen Zeitraum 13,6 Cent/kWh. Der durchschnittliche Verkaufserlös, der dieser Arbeit zu Grunde liegenden Beispielrechnung von September 2005 bis August 2006, lag bei 11,5 Cent/kWh. Bei höher subventionierten Stromerzeugungsverfahren, wie teilweise in der Photovoltaik mit Stromvergütungen von bis zu 45 Cent/kWh, ist es für den Kleinerzeuger aus Gründen der Wirtschaftlichkeit immer günstiger, den Strom komplett in das Netz der allgemeinen Versorgung einzuspeisen. Der Eigenstrombedarf wird in solchen Fällen aus dem öffentlichen Stromnetz zu normalen Preisen wieder zugekauft. Diese Übersubventionierung gibt es bei den Blockheizkraftwerken nicht. Eigener Strombedarf kann so weit möglich durch das Blockheizkraftwerk selbst gedeckt werden, da selbst erzeugter und zugekaufter Strom ähnlich teuer sind. Vergleicht man die Strommenge, die von dem Blockheizkraftwerk produziert wird, mit dem durchschnittlichen Bedarf eines Einfamilienhaushaltes, so erkennt man, dass der Strom größtenteils nicht selbst verwendet werden kann. Schon bei einer Laufzeit von 3.000 Stunden beläuft sich die produzierte elektrische Energie der vorab ausgewählten Anlage auf 16.500 kWh. Ein realistischer Jahresbedarf liegt aber bei nur 4.000 kWh. Im Weiteren wird der Strom als komplett zu Baseload-Bedingungen verkauft betrachtet. Der Vergleich zu anderen an der Strombörse handelbaren Stromprodukten ist so direkt herstellbar.

Konstruktion der Jahreslaufzeitkurve des Blockheizkraftwerks:

Annahmen:

Bei der Konstruktion der Kurve der täglichen Laufzeiten des Blockheizkraftwerkes werden die folgenden Vereinfachungen angenommen. Der Wärmebedarf des Hauses hängt direkt mit der Außentemperatur zusammen. Dieser Zusammenhang wird vereinfacht als linear angenommen. Das Verhältnis von Wärmebedarf zur Außentemperatur ist umgekehrt proportional. Ein Wärmebedarf entsteht ab dem Unterschreiten einer bestimmten Außentemperatur. Diese Temperaturgrenze wird auch als Heizgrenze bezeichnet und mit 15 Grad Celsius angenommen. Für die tägliche Außentemperatur wird jeweils nur ein Wert, das Mittel der Tageswerte, herangezogen. Grundlage für die weiteren Berechnungen sind Messreihen der Außentemperaturen vom Deutschen Wetterdienst. Die herangezogene Messreihe ist die der nächstgelegenen Messstation in Düsseldorf.

Konstruktion der durchschnittlichen Jahresheizleistungskurve und Bestimmung des relativen Tageswärmebedarfes:

In einem ersten Schritt wird ein durchschnittlicher Jahrestemperaturverlauf der Jahre 1991 bis 2006 erstellt. Herangezogen wurden hierzu die mittleren Temperaturen der einzelnen Monate. Betrachtet man nur den Temperaturbereich unterhalb von 15 Grad Celsius und invertiert den Kurvenverlauf, so stellt die neue Kurve die Temperaturabweichung unterhalb Heizgrenze bzw. den Raumwärmebedarf dar. Dieser Verlauf entspricht qualitativ auch dem Verlauf der benötigten Heizleistung ohne Warmwasser.

Der Energiebedarf im deutschen Gebäudebestand ist relativ hoch. Je nach Gebäudeart liegt der Jahreswärmebedarf für Heizung und Warmwasser zwischen 200 kWh und 300 kWh je Quadratmeter. Für das angenommene Einfamilienhaus wird der Mittelwert von 250 kWh unterstellt. Dieser Betrag teilt sich noch auf in angenommene 200 kWh für die Raumheizung und 50 kWh für die Warmwasserbereitung.

Integriert man den Kurvenverlauf der Temperaturabweichung unterhalb der Heizgrenze, so erhält man die Summe der täglichen Temperaturgrade unterhalb der Heizgrenze über das Jahr. Die Summe der täglichen Temperaturgrade unterhalb der Heizgrenze ist proportional zum Jahreswärmebedarf je Quadratmeter. Es kann jetzt der Tageswärmebedarf je Grad Außentemperatur unterhalb der Heizgrenze bestimmt werden. Dieser relative Tageswärmebedarf ist notwendig, um die noch folgende tagesgenaue Jahreslaufzeitkurve erstellen zu können. Er beträgt exklusive des Wärmebedarfes für Warmwasser 0,11 kWh/C/[24h]/m. Setzt man den Energiebedarf für Warmwasserbedarf pauschal mit 20 % des Gesamtwärmebedarfes an, so erhöht sich der tägliche Energiebedarf noch mal um 0,14 kWh/[24h]/m. Das gewählte Miniblockheizkraftwerk kann bei diesem Wärmebedarf ein Objekt mit einer Wohnfläche von 125 m2 versorgen. Dies entspricht der Größe eines Einfamilienhauses.

Konstruktion der tagesgenauen Jahresheizleistungskurve:

Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wird der Zeitraum von September 2005 bis Oktober 2005 betrachtet. Um die Kosten und Erlöse richtig zu bestimmen, müssen sie dem Zeitpunkt der Stromproduktion zuordnet werden. Hierzu wird die tagesgenaue Jahresheizleistungskurve erstellt, da die Stromproduktion parallel zum Heizen erfolgt. Verrechnet man den relativen Tageswärmebedarf mit den tagesgenauen Werten für den Wärmebedarf, so resultiert daraus die Kurve mit den täglichen Heizleistungen bzw. unter Einbeziehung der Leistung des Blockheizkraftwerks dessen tägliche Laufzeiten. Eine tägliche Mindestlaufzeit von 1,4 Stunden ergibt sich durch den, über das Jahr hinweg als konstant angenommenen, Warmwasserbedarf.

Insgesamt folgt daraus für das betrachtete Jahr eine Laufzeit von 2.900 Stunden.

Laufzeiterhöhung durch eine elektrische Zusatzheizung:

In der ersten Berechnung ist das Blockheizkraftwerk mit seiner thermischen Leistung auf den kältesten Tag im Jahr ausgelegt worden. Die resultierende Jahreslaufzeit von 2.900 Stunden ist für einen wirtschaftlichen Betrieb zu gering. Das Blockheizkraftwerk wird in einer zweiten Betrachtung mit seiner gesamten Leistung der auf den kältesten Tag ausgelegt. Ein separater Brenner zur Unterstützung soll vermieden werden. Es wird aus diesem Grund eine elektrische Zusatzheizung für den Spitzenwärmebedarf eingesetzt. An Tagen, an denen mehr als die maximale thermische Heizleistung benötigt wird, kann die elektrische Leistung der Anlage hinzugezogen werden, so dass mit dem selbst erzeugten Strom geheizt wird. Trotz der Verwendung des Stromes zum Heizen, an wenigen Tagen im Jahr, steigt der Stromerlös, da sich die Laufzeit des Blockheizkraftwerks an allen Tagen erhöht. Die produzierte elektrische Energie ergibt sich bei Auslegung des Blockheizkraftwerks auf seine thermische Leistung von 12,5 kW zu 16.000 kWh im Jahr. Bei der Auslegung des Blockheizkraftwerks mit seiner Gesamtleistung für ein Objekt, also mit 18 kW, ergibt sich die Laufzeit des Blockheizkraftwerks zu 3.980 Stunden. Über den Zeitraum von 420 Stunden wird dabei der Strom zum Heizen verwendet. Es kann also nur während 3.560 Stunden selbst erzeugter Strom abgegeben werden. Die erzeugte elektrische Energie abzüglich des zum Heizen verwendeten Anteils beläuft sich auf 19.600 kWh im Jahr. In dem Vergleich zur Break-even-point-Betrachtung darf nur die Laufzeit betrachtet werden, in der der produzierte Strom auch zur Refinanzierung beiträgt, also verkauft wird. Die hier anzusetzenden 3.560 Stunden lassen einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ebenfalls noch nicht zu.