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Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gekoppelte Erzeugung von Strom (=Kraft) und nutzbarer Wärme. Bei kleinen Anlagengrößen, die für die Versorgung von einzelnen Objekten konzipiert sind, sogenannten Blockheizkraftwerken (BHKW), ist der wichtigste und häufigste Anlagentyp der Gas-Ottomotor, der in der Regel mit Erdgas betrieben wird. Andere Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung verwenden Dieselmotoren, geschlossene Dampfkraftprozesse, Gasturbinen oder Stirlingmotoren. Auch der Einsatz von Brennstoffzellen zählt zur KWK-Technik.

Der Gas-Ottomotor arbeitet wie ein Benzin-Automotor, ist aber auf eine lange Laufzeit hin optimiert. Anstelle der Lichtmaschine des Autos wird ein Generator eingesetzt, der die gesamte Antriebsenergie in Strom umwandelt. Gleichzeitig wird Abwärme, die im Motor entsteht, über Kühlwasser- und Ab¬gaswärmetauscher zur Beheizung der Gebäude und zur Brauchwassererwärmung nutzbar gemacht. Als Brennstoff wird meist Erdgas eingesetzt, aber auch Heizöl und regenerative Brennstoffe, wie Biogas oder Pflanzenöl, sind möglich.

Mit der kombinierten Wärme- und Stromerzeugung erreichen moderne BHKW einen energetischen Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie, der zwischen 80 und 90 Prozent liegen kann und damit wesentlich höher ist als bei herkömmlichen Verfahren zur getrennten Erzeugung von Wärme und Strom. Beispielsweise erreicht man mit einem Niedertemperatur-Gaskessel (Normnutzungsgrad 90 Prozent) zusammen mit aus  deutschem Kraftwerksmix erzeugtem Strom (Normnutzungsgrad 38 Prozent) einen Wirkungsgrad von lediglich 64 Prozent. Ein weiterer Aspekt ist Emissionsreduzierung durch BHKW, speziell bei Staub und Schwefeldioxid, aber auch bei den Stickoxiden und dem Kohlendioxid.

Primärenergieeinsparung durch Kraft-Wärme-Kopplung

Emissionsminderung durch Erdgas-BHKW (Quelle: ASUE)

Wirtschaftlichkeit

Um ein BHKW wirtschaftlich betreiben zu können, gilt es einige Aspekte zu beachten. Bedingt durch den schlechteren thermischen Wirkunggrad eines BHKW gegenüber einem Heizkessel ist für die Bereitstellung der gleichen Wärmemenge ein höherer Brennstoffeinsatz notwendig. Die daraus resultierenden höheren Brennstoffkosten und die Investitionskosten müssen über den eingesparten Strombezug und die Einspeisevergütung refinanziert werden.

Die Auslegung eines BHKW sollte sich am Grundlastbedarf für Strom und Wärme orientieren. Eine möglichst hohe Benutzungsstundenzahl ist anzustreben. Die thermische Leistung des BHKW sollte kleiner bzw. gleich dem Grundlastbedarf ausgelegt werden.

Die jährlichen Betriebsstunden eines BHKW sind das wichtigste Entscheidungskriterium für den wirtschaftlichen Einsatz. Bei Mini-BHKW liegt dieser Wert erfahrungsgemäß bei mindestens 6.000 bis 7.000 Betriebsstunden. Da ein Jahr etwa 8.760 Stunden hat, liegt die Hürde für eine Wirtschaftlichkeit relativ hoch. Für den vom BHKW erzeugten Strom ist in der Regel innerhalb des Objektes immer ein Bedarf vorhanden. Wenn nicht, ist auch eine Einspeisung in das Netz des Energieversorgers mit einer entsprechenden Vergütung möglich. Problematisch wird es beim ganzjährigen Wärmebedarf.

In der Heizperiode von Oktober bis April, wenn ausreichender Wärmebedarf für die Raumheizung vorhanden ist, sind Betriebsstunden von 20 bis 24 Stunden pro Tag für ein Mini-BHKW durchaus möglich, sodass in dieser Zeit das BHKW auf eine Laufzeit von ca. 4.300 Stunden kommen kann. Die verbleibenden 1.700 bis 2.700 Betriebsstunden müssten in den Sommermonaten erbracht werden. Bei Wohngebäuden wird der Wärmebedarf im Sommer fast ausschließlich von der Trinkwassererwärmung bestimmt. Da für die Erwärmung von einem Liter Wasser von 10 auf 60°C grob überschlägig ca. 0,06 kWh benötigt werden, lässt sich über den täglichen Trinkwarmwasserbedarf ungefähr die Wärmegrundlast und somit die möglichen Betriebsstunden des Mini-BHKW für die Sommermonate bestimmen.

Für den wirtschaftlichen Einsatz eines Mini-BHKW ist es fast unerlässlich, dass eine zentrale Trinkwarmwassererwärmung für das Gebäude vorhanden ist.

Schritte zur groben Abschätzung einer Wirtschaftlichkeit

Ermittlung des täglichen Wärmebedarfs in den Sommermonaten

1. Da in der Regel keine Daten vom täglichen Wärmebedarf vorliegen, kann man den Wärmebedarf über zwei Wege grob abschätzen.
   1. Liegen monatliche Gasabrechnungen vor, kann der Monatsverbrauch durch die Anzahl der Monatstage dividiert werden.
   2. Liegen nur Jahresabrechnungen vor, kann über die Anzahl im Objekt lebenden Personen grob der Trinkwarmwasserverbrauch (60°C) abgeschätzt werden. Dieser wird wie folgt in der Fachliteratur beziffert:
      • Einfache Ansprüche 10...20 l/Tag und Person
      • Höhere Ansprüche 20...40 l/Tag und Person
      • Höchste Ansprüche 40...80 l/Tag und Person
   Möglich wäre auch der Einbau einer Wasseruhr in den Kaltwasserzulauf des Boilers. Durch eine wöchendliche, im Idealfall tägliche Ablesung kann der Warmwasser-verbrauch ermittelt werden. Der sich ergebende Verbrauch wird mit 0.06 kWh/l multipliziert. Das Ergebnis ist der tägliche Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung.
2. Jährliche Betriebsstunden
   Um die Jahresbetriebsstunden, auch Vollbenutzungsstundenzahl (Vbh) genannt, zu ermitteln, kann das Jahr in Heizperiode und Nichtheizperiode aufgeteilt werden.
   1. Die Heizperiode kann grob auf die Monate Oktober bis April festgelegt werden. In diesem Zeitraum ist ein ausreichender Wärmebedarf vorhanden, und es ist mit Betriebsstunden zwischen 4.000 und 4.500 Stunden zu rechnen.
   2. Für die Sommermonate wird der ermittelte tägliche Wärmebedarf durch die thermische Leistung des BHKW dividiert. Das Ergebnis sind die täglichen Betriebsstunden. Diese werden mit der Anzahl der Tage multipliziert. Daraus ergeben sich die Betriebsstunden außerhalb der Heizperiode.
   3. Mit der Summe der beiden Perioden werden die jährlichen Betriebsstunden errechnet.
3. Ermittlung der Einahmen und Ausgaben durch den Betrieb des BHKW
   1. Zu den Einnahmen zählen die Gutschrift für den erzeugten Strom und Wärme sowie die Rückerstattung der Energiesteuer.
      • Rückerstattung der Energiesteuer
        Diese erfolgt nur, wenn das BHKW einen Gesamtwirkungsgrad von mindestens 70 Prozent hat. Bei Standart-BHKW ist das in der Regel immer der Fall. Je nach Brennstoffart erfolgt eine Rückerstattung der zuvor beim Einkauf mitbezahlten Energiesteuer für den im BHKW eingesetzten Brennstoff. Derzeit liegen die Steuersätze für Erdgas bei 0,55 Ct/kWh, 0,43 Ct/kWh für Flüssiggas und bei 6,14 Ct/l für Heizöl. Nähere Einzelheiten beim zuständigen Hauptzollamt.
      • Gutschrift für die Wärmeerzeugung Dabei wird die vom BHKW erzeugte Wärme mit dem Wärmepreis einer Kesselanlage multipliziert. Der Wärmepreis der Kesselanlage berechnet sich aus den Kosten für den eingesetzten Brennstoff dividiert durch den Jahresnutzungsgrad des Kessels. Der Jahresnutzungsgrad kann wiederum nur abgeschätzt werden. Neue Niedertemperatur- oder Brennwertkessel können Nutzungsgrade bis zu 90 Prozent erreichen. Ältere Kessel hingegen weisen Nutzungssgrade von nur 80 Prozent oder darunter auf.
        
      • Gutschrift für den erzeugten Strom (fossiler Brennstoff)
        • Für jede vom BHKW erzeugte Kilowattstunde Strom erfolgt nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-Gesetz) eine Vergütung vom örtlichen Stromnetzbetreiber. Diese liegt für Mini-BHKW mit einer elektrischen Leistung bis 50 kW bei 5,11 Ct/kWh für die Dauer von 10 Jahren.
        • Wird der vom BHKW erzeugte Strom komplett selbst genutzt, kann zusätzlich zur Vergütung nach dem KWK-Gesetz ganz einfach der erzeugte Strom mit dem eigenen Stromkosten multipliziert werden.
        • Wird Strom in das Netz des örtlichen Versorgers eingespeist, erhält der BHKW-Betreiber zusätzlich für den verkauften Strom eine Vergütung, die sich nach dem durchschnittlichen Baseload-Strom der Strombörse EEX (www.eex.de) in Leipzig im jeweils vorangegangenen Quartal richtet. Hinzu kommen die vermiedenen Netznutzungsentgelte. Hierzu sind weitere Informationen beim örtlichen Netzbetreiber erhältlich.
        Da i.d.R. die Gutschrift für den selbst genutzten Strom höher ist als die Einspeisevergütung, sollte immer ein höchstmöglicher Eigenverbrauch angestrebt werden. Ist der Bedarf für den allgemeinen Betriebsstrom des Gebäudes geringer als der vom BHKW erzeugte Strom, kann über eine Belieferung der Bewohner mit BHKW-Strom nachgedacht werden. Hierzu sollte sich im Vorfeld umfassend informiert werden, da viele rechtliche Bestimmungen zu beachten sind.
   2. Zu den Ausgaben zählen die Kosten für den eingesetzten Brennstoff sowie die Wartungs- und Instandhaltungskosten.
      • Brennstoffkosten
        Diese lassen sich einfach ermitteln, indem man den Brennstoffverbrauch des BHKW mit dem Brennstoffpreis multipliziert.
      • Wartungs- und Instandhaltungskosten
        Bei Mini-BHKW werden für die Wartungen und Instandhaltungen in der Regel Teil- oder Vollwartungsverträge abgeschlossen. Da beide Begriffe nicht klar definiert sind, kann der Vertrag sehr unterschiedliche Leistungen beinhalten. Bei einem Vollwartungsvertrag sollten sämtliche in der Vertragslaufzeit anfallenden Wartungen und Reparaturen sowie auch notwendige Generalüberholungen mit eingeschlossen sein. Die Kosten werden in der Regel nach Cent pro erzeugte Kilowattstunde elektrisch abgerechnet und liegen im Bereich zwischen 1,5 Ct/kWh bei Teilwartungsverträgen und bis zu 3 Ct/kWh bei Vollwartungsverträgen.
4. Gegenüberstellung von Ausgaben und Einnahmen
   Im letzten Schritt werden die Ausgaben und die Einnahmen gegenübergestellt. Liegt ein negatives Ergebnis vor, kann davon ausgegangen werden, dass ein BHKW nicht wirtschaftlich einsetzbar ist. Bei einem positiven Ergebnis müssen noch die Kapitalkosten mit berücksichtigt werden. Diese können sehr unterschiedlich berechnet werden. Eine grobe Abschätzung kann über die statische Amortisationsrechnung erfolgen.
   
   Für die Nutzungsdauer des BHKW können die in der AFA angegebenen 10 Jahre eingesetzt werden. Dieses stellt natürlich keine genaue Ermittlung der Kosten dar. Eine etwas sichere Methode ist eine Annuitätenrechnung.
   
   Ergibt sich ein Ergebnis mit nur geringen positiven und negativen Zahlen, sollten die Rahmenbedingungen nochmals überprüft werden.

Förderung

Eine Finanzierung der Investitionskosten ist derzeit über zinsgünstige Darlehen und/oder einen Zuschuss der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) möglich.

• Für bestehende Wohngebäude
  • KfW-CO2-Gebäudesanierungsprogramm
  • Programm „Wohnraum Modernisieren“
• Für neue Wohngebäude
  • Programm „Ökologisch Bauen“
• Für kleine und mittlere Unternehmen nach EU-Definition
  • ERP Umwelt- und Energieeffizienzprogramm

Weiterhin bieten noch einige Bundesländer und Energieversorger Förderprogramme an.

Beispielrechnung

Ein Mehrfamilienhaus mit 10 Wohneinheiten und 30 Bewohnern. Zur Wärmeversorgung ist ein 15 Jahre alter Erdgas-Niedertemperaturkessel mit einem Jahresnutzungsgrad von ca. 75 % installiert. Zur Ergänzung soll ein Erdgas-BHKW mit einer elektrischen Leistung von 5 kW, einer thermischen Leistung von 12 kW und einer Leistungsaufnahme von 20 kW installiert werden. Der Gaspreis liegt bei 6 Ct/kWh und der Strompreis bei 18 Ct/kWh. Der Anteil der Eigennutzung des erzeugten Stromes liegt bei rund 20 Prozent, der Rest wird ins das Netz des örtlichen Energieversorgers eingespeist. Hierzu wird ein durchschnittlicher Preis von 5,5 Ct/kWh eingesetzt.

Einbindung eines BHKW einfügen Betriebsstunden

Betriebsstunden

Sommermonate:

30 Bewohner x  40 l Warmwasser pro Tag und Bewohner x 0,06 kWh/l = 72 kWh pro Tag
=> dividiert 12 kWth (BHKW) = 6 Vbh => x 153 Tage  900 Vbh
=> + 4.500 Vbn (Heizperiode) = 5.400 Vbh/a

Die Investitionskosten betragen ca. 25.000 €  - bei 10 Jahren technischer Nutzungszeit und einem Zinssatz von 5,5 % fallen jährliche Kapitalkosten von rund 3.300 €  an. Da nur Einsparungen von rund 2.000 €/a vorliegen, ist die Anlage als nicht Wirtschaftlich einzustufen.
Anders sieht es aus, wenn der Strom an die Bewohner geliefert werden kann und somit eine vollständige Eigennutzung des erzeugten Stromes ermöglicht wird. Damit erhöhen sich die jährlichen Einsparungen auf 4.860 €, so dass mit einem jährlichen Gewinn von rund 1.500 € gerechnet werden kann.

Pro Betriebsstunde werden durch die BHKW-Anlage rund 2,17 kg CO2-Emissionen eingespart, was bei 5.400 Vbh/a rund 11,7 Tonnen CO2-Emissionseinsparungen pro Jahr ergibt.

Die EnergieAgentur.NRW bietet online einen BHKW-Rechner an. Mit diesem kann grob die Wirtschaftlichkeit eines BHKW in einem Mehrfamilienhaus mit Standort in NRW bestimmt werden. Zu finden ist der Rechner unter www.energieagentur.nrw.de

MBA/Dipl.-Ing. (FH) Matthias Kabus

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