Einsatz von Blockheizkraftwerken im Wohnungsbau; ökonomische, energetische und ökologische Analysen

1 Einleitung

In einem Industriestaat, wie die Bundesrepublik Deutschland, ist eine innovative Energie-

wirtschaft (d.h. rationelle Energienutzung ) für eine positive wirtschaftliche Entwicklung von großer Bedeutung. Ziel der Energiepolitik sollte eine sichere, ausreichende, preiswerte und umweltfreundliche Energieversorgung der Endabnehmer sein.

Daneben hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger und der Kernbrennstoffe sowie der weltweit wachsende Energie-

bedarf uns dazu zwingen, mit dem Wirtschaftsgut „Energie“ noch sparsamer umzugehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1:Weltweite Energienachfrage nach einer logischen Funktion extrapoliert dargestellt

In vielen Bereichen der Energieanwendung konnten bereits beachtliche Einsparungen durch die Forschung und die Modernisierung von energiesparenden Technologien, wie z.B. Wärmerückgewinnungssysteme, Abwärmenutzung, sowie durch einen vermehrten Fernwärmeausbau erreicht werden. Doch auch weiterhin bietet sich hier ein beachtliches Potential zur Schonung der Reserven.

Neben dem ökonomischen Aspekt, hat die ökologische Komponente der Energieeinsparung zunehmendes Gewicht gewonnen. Ein geringerer Energieverbrauch bedeutet gleichzeitig weniger Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen.

Insbesondere die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) müssen in den nächsten Jahrzehnten drastisch reduziert werden, damit einer drohenden Klimaveränderung der Erde entgegen gewirkt werden kann.

In diesem Zusammenhang gewinnt die dezentrale Energieerzeugung auf der Basis der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), hier im speziellen Blockheizkraftwerk(BHKW), zunehmend an Bedeutung. Hierbei wird die nutzbare Wärme (Abgas, Kühlwasser, Schmieröl) zur Wärme- oder auch zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt, und so der Gesamtwirkungsgrad erhöht. Dadurch können die Energiekosten und die Schadstoffemissionen pro erzeugter Energieeinheit beträchtlich gesenkt werden. Auf Grund dieser Vorteile sind allein in Deutschland heute schon BHKW-Anlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von über 4,6 GW installiert

Je nach Erfordernis kann sich die Planung eines BHKW’s an dem Wärme- oder Strombedarf orientieren, wobei die Auslegung immer eine wirtschaftliche Abgabe von Kraft und Wärme bei größtmöglicher Eigennutzung in den Vordergrund stellen sollte.

In dieser Diplomarbeit wird unter diesen Gesichtspunkten, der mögliche Einsatz eines Kleinst-BHKW’s für die Energieversorgung eines Fünffamilienhauses und eines Doppelfamilienhauses auf energetische, wirtschaftliche und ökologische Art hin, untersucht.

2 Aufgaben- und Objektvorstellung

Es galt zwei Mehrfamilienhäuser hinsichtlich der Energiesituation zu untersuchen, um damit eine energetische, ökonomische und ökologische Analyse eines Kleinst-BHKW im Wohnungsbau daran anzuschließen.

Das Fünffamilienhaus liegt in einem ruhigen Wohngebiet in Oberhausen-Sterkrade. Es umfasst 321 qm Wohnfläche bei 5 Wohneinheiten. Es wurde vor ungefähr 30 Jahren gebaut, dementsprechend war es zu dieser Zeit nicht so wichtig, Wohnhäuser gut zu isolieren. Dieses spiegelt sich im spezifischen Wärmebedarf von 81 W/m^2 wieder (Erlaubt sind nach neuer Wärmeschutzverordnung 1995 30 W/m^2).

Das Doppelfamilienhaus liegt auch in Oberhausen. Es beinhaltet 310 qm Wohnfläche bei 2 Wohneinheiten, wobei der niedrige Stromverbrauch daraus resultiert, dass in der einen Wohnung nur eine Person wohnt. In diesem Wohnhaus beträgt der spezifische Wärmebedarf 88 W/m^2. (Nähere Angaben über Größe und Anzahl der Räume siehe im Anhang).

3 BHKW-Technik

3.1 Entwicklung der BHKW-Technik

Seit über 100 Jahren, also bereits seit Beginn des elektrischen Stromes, wird in Deutschland die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt. Vor dem ersten Weltkrieg setzte man diese Technik bei einigen städtischen E-Werken ein. Die entstehende Abwärme, der zur Stromerzeugung genutzten Dieselmotoren, diente zu Heizzwecken.

Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Strom mehr und mehr von immer größer werdenden Kohlekondensationskraftwerken erzeugt, wobei das günstige Öl einen großen Teil des Heizenergiebedarfs deckte. Deshalb vergaß man die KWK-Technologie allmählich.

Erst im Jahre 1976 wurde wieder eine KWK-Versuchsanlage in Heidenheim aufgebaut und betrieben. Dabei wurden die alten Ölkessel durch diese „neue“ Technik ersetzt. Das Neue bei diesem Konzept war, das nicht nur alle technischen Möglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung ausgenutzt wurden, sondern es war die Einbindung in das öffentliche Netz gelungen.

Im Moment erfreut sich diese Technologie wachsender Beliebtheit, da die effektive Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie zu großer Wirtschaftlichkeit bei Verringerung der Emissionen führt. Dieses verdeutlicht das unten dargestellte Diagramm (Bild 2.1). Bereits im Jahre 1995 war insgesamt 1,45 GW an elektrische Gesamtleistung installiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1: Anlagenzahl und installierte Leistung

3.2 Grundlagen der BHKW-Technik

3.2.1 Begriffsdefinition

Unter Blockheizkraftwerk versteht man eine mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebene Anlage, die unter Einsatz von Verbrennungsmaschinen bzw. Gasturbinen, mechanische Energie und diese mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie umwandeln, wobei die anfallende Motorkühlwasser- und Abgaswärme mit Hilfe von Wärmetauschern zu Heizzwecken genutzt wird. Des Weiteren gehört zu einer BHKW-Anlage, ein Heizkessel, der die Spitzenlastabdeckung wärmeseitig übernimmt, und falls nötig ein Wärmespeicher, um den tageszeitlichen, unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarf zu überbrücken.

Die Vorteile eines BHKW liegen in der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, wobei ein sehr hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird, in der relativ günstigen Emission, wenn emissionsreduzierende Maßnahmen (z.B. Kat,..) angewandt werden. Wirtschaftlich kann man mit dieser Art kostengünstiger Energie erzeugen, als bei der getrennten Energiebeschaffung, sofern Strom- und Wärmebedarf gleichzeitig vorhanden sind.

In dieser Diplomarbeit werden ausschließlich Motorheizkraftwerke (MHKW), d.h. BHKW’s mit Verbrennungsmotoren behandelt.

Im unteren Bild 2.2 sieht man das prinzipielle Anschlussschema eines MHKW mit Spitzenkessel und Wärmespeicher.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.2: Anschlussschema eines MHKW

3.2.2 Verbrennungsmotoren

Als Verbrennungsmotor wird hier, die am weitesten verbreitete Art, der Hubkolbenmotor bezeichnet, wie sie zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen und stationären Energieanlagen dienen. Auf und Abwärtsbewegung sowie die Verbrennung des Brennstoffes in einem geschlossenen Zylinder sind die wesentlichen Merkmale. Sie arbeiten entweder nach dem Zweitakt- bzw. nach dem Viertaktprinzip.

Bei Saugmotoren wird die Verbrennungsluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch vom Motor selbst (Viertaktmotor) angesaugt oder von einem Spülgebläse (Zweitakter) gefördert. Bei Motoren mit Abgasturbolader wird dieser durch eine Abgasturbine angetrieben. Gestartet werden die Verbrennungsmotoren mittels eines Anlassers, der von einer Elektrobatterie gespeist wird.

Folgende Motorsysteme kommen hierbei zum Einsatz:

- Gas-Ottomotor
- Dieselmotor
- Diesel-Gasmotor

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.3: Prozentuale Aufteilung der MHKW auf die installierte Gesamtleistung

3.2.2.1 Gas-Ottomotor

Der Gasmotor arbeitet thermodynamisch nach dem Otto-Prozess. Dieser besteht als Ideal- Prozess aus zwei Isentropen und zwei Isochoren.(Siehe p-v- und t-s-Diagramm (Bild 2.4))

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.4: Otto-Prozess im p,v- und T,s- Diagramm

Beim Saughub (a->1) strömt brennbares Gas-Luft-Gemisch in den Zylinder, welches beim Verdichtungshub (1->2) auf den maximalen Kompressionsdruck isentrop verdichtet wird. Es folgt die Zündung des Gemisches durch den Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze, d.h. durch eine ortsfeste, räumlich begrenzte Zündquelle und die explosionsartige Verbrennung, bei der die Wärme qZ(v= konstant) zugeführt wird. (2->3): Diesen Vorgang nennt man Gleichraumverbrennung. Beim folgenden Arbeitshub (3->4) entspannen sich die Verbrennungsgase isentrop. Die Auspufföffnungen werden am Ende des Arbeitshubes frei, so dass die Abgase aus dem Zylinder entweichen können und sich der Anfangsdruck wieder einstellt (4->1). Die Wärme qA wird über den Auspuff mittels der Verbrennungsgase abgeführt. Der Druckausgleich (4->1) erscheint im p,v-Diagramm als Isochore. Schließlich werden beim Auspuffhub (1->a) die Restgase aus dem Zylinderraum herausgeschoben. Die Arbeitsfläche des idealen Otto-Prozesses ist die vom Linienzug 1->2->3->4->1 eingeschlossene Fläche.

Um die Grenzwerte der TA-Luft einhalten zu können müssen Gasmotoren mit Drei-Wege-Katalysatoren ausgerüstet werden, die eine Reduzierung der Schadstoffemissionen, wie Stickoxide (NOX), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), bewirken. Für den Betrieb mit Klärgas oder Deponiegas können Drei-Wege-Katalysatoren, wegen der in diesen Gasen üblicherweise enthaltenen Anteile an Schwefel bzw. Chlorkohlenwasserstoff und Fluor, nicht oder nur in Verbindung mit einer Gasreinigungsanlage eingesetzt werden.

Ausschlaggebend für den effizienten und umweltbewussten Betrieb des Motors ist die Regelung des Brenngas-Luft-Gemisches, mit Hilfe einer Lambda-Regelung. Der Magergemisch-Motor wurde entwickelt, um bei der Verwendung von Gasen, die die so genannten Katalysatorgifte wie Schwefel, Fluor, Chlor und Arsen als Verunreinigungen mit sich führen, die Grenzwerte der TA-Luft ohne den Einsatz von Katalysatoren einzuhalten. Hierbei erfolgt eine Erhöhung des Luft/Brennstoffverhältnisses mit der Anpassung des Zündzeitpunktes und einer entsprechenden Verringerung der Motorbelastung. Zur Optimierung ist zusätzlich eine Abstimmung des Brennraumes und des Ladungsausgleiches erforderlich. Um unkontrollierte Selbstzündungen zu verhindern, ist das zulässige Verdichtungsverhältnis des Gas-Luft-Gemisches durch den Methangehalt des Gases festgelegt (Oktanzahl).

Die in der MHKW-Technik eingesetzten Gasmotoren mischen das Brenngas und die Verbrennungsluft mit Hilfe eines Gasmischers, der dem Motor vorgeschaltet ist. Somit erfolgt die Gemischaufbereitung außerhalb des Motors (externe Gemischbildung). Die Leistungsregelung geschieht durch Drosselung der Gas-Luftmenge. Im Teillastbetrieb verschlechtern sich die Wirkungsgrade beim Gasmotor jedoch erheblich.

Der thermische Wirkungsgrad beim Otto-Prozess ist ausschließlich vom Verdichtungsverhältnis des Motors abhängig. Er nimmt mit wachsendem Verdichtungsverhältnis zu. Bei Vollast werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 32% erreicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.5 Wirkungsweise eines Viertakt-Ottomotors

3.2.2.2 Dieselmotoren

Die Dieselmotoren für den stationären Betrieb arbeiten mit Direkteinspritzung, d.h. der Brennstoff wird wie bei Nutzfahrzeugen direkt in die hochverdichtete Luft der Brennkammer eingespritzt.

Der ideale Dieselprozess setzt sich aus einer Isobaren, zwei Isentropen und einer Isochoren zusammen. (Siehe p,v- und T,s-Diagramm, Bild 2.6). Dieser Prozess wird auch Gleichdruckprozeß genannt.

Es wird Luft aus der Umgebung angesaugt, die beim Verdichtungshub (1->2) auf 30 bis 60 bar isentrop verdichtet wird. Das Verdichtungsverhältnis v1/v2 wird so gewählt, dass die Kompressionstemperatur (550°C bis 600°C) genügend hoch ist, um den eingespritzten Kraftstoff sicher zu zünden. Noch während des Verbrennungsvorganges (2->3) wird weiter Kraftstoff eingespritzt, wodurch sich dieser in Grenzen steuern lässt. Beim Idealprozess wird angenommen, dass die Kraftstoffeinspritzung über den ersten Teil des Arbeitshubes so erfolgt, dass sie einer Wärmezufuhr qZ bei konstantem Druck entspricht. Man nimmt also eine Gleichdruckverbrennung an. Hieran schließt sich die isentrope Entspannung (3->4) an. Sobald die Auspufföffnungen frei werden erfolgt der Druckausgleich nach außen (4->1). Dieser kann als isochore Wärmeabfuhr qA aufgefasst werden.

Der thermische Wirkungsgrad des Dieselprozesses nimmt mit dem Verdichtungsverhältnis zu und ist lastabhängig. Die Leistung der Dieselmotoren wird über die eingespritzte Brennstoffmenge geregelt. Dadurch ist eine gute Regelbarkeit gewährleistet. Es werden beim Dieselmotor hohe Teillastwirkungsgrade erreicht. Dass der Dieselprozess, thermodynamisch betrachtet, gegenüber dem bereits behandelten Ottoprozess der bessere Umwandlungsprozess ist, spiegelt sich besonders im elektrischen Wirkungsgrad wieder. Er beträgt für ein MHKW ca. 42%. Dieser wird derzeit von keinem anderen Kraftwerksprozess erreicht.

3.2.2.3 Diesel-Gasmotoren

Der Aufbau der Diesel-Gasmotoren (dem sog. Gaszündstrahlverfahren) ist zum größten Teil mit den Dieselmotoren identisch, wobei zusätzlich eine Gaszufuhr zur Ansaugluft über einen Mischer wie beim Gasmotor eingebaut wird. Thermodynamisch läuft die Energieumwandlung nach dem Dieselprozess ab.

Die Zündung des Gas-Luft-Gemisches erfolgt durch Einspritzung einer geringen Menge Zündöles, welches aus leichtem Heizöl besteht. Das Verdichtungsverhältnis der Diesel-Gasmotoren liegt etwas unter dem Verdichtungsverhältnis der Dieselmotoren. Diese Aggregate können ohne Unterbrechung von Diesel-Gasbetrieb mit 5% bis 10% Zündölanteil auf reinen Dieselbetrieb umgeschaltet werden. Der Motor wird somit als Zweistoffmotor bezeichnet. Der Wirkungsgrad liegt zwischen Gas- und Ottomotor.

Da ein reiner Dieselbetrieb möglich ist, kann mit dem Gasversorgungsunternehmen ein abschaltbarer Gaslieferungsvertrag zu günstigen Konditionen abgeschlossen werden. Die Investitionen sind nicht sehr hoch, da auch unter anderem entsprechende Brennstofftanks notwendig sind. Am Markt sind z.Zt. Anlagen dieses Typs ab 100kWel Leistung verfügbar. Neuerdings werden auch kleinere Anlagen (< 100 KW ) angeboten, um auch kleineren Betreibern einen günstigeren Erdgasbezugsvertrag zu ermöglichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.6: Dieselprozess im p,v- und T,s-Diagramm

3.2.2.4 Vor- und Nachteile der Verbrennungsmotoren

3.2.2.4.1 Gasmotoren

- hohe Verfügbarkeit durch Zündkerzenwechsel beeinträchtigt
- Betriebssicherheit durch hohe Sicherheitsauflagen erreichbar
- geringe Korrosionsgefahr der Abgasanlage, da niedriger Schwefelanteil

bei reinem Erdgasbetrieb

- elektrischer Wirkungsgrad bis 32%
- wartungs- und bedienungsaufwendig, insbesondere bei Motoren

mit teuren Drei-Wege-Katalysatoren

- keine Verschmutzung des Abgaswärmeüberträgers, da kaum

Rußpartikel im Abgas, aber Schmierölrückstände vom Motor

- fehlender Teillastbetrieb kann durch modulierenden Ein-/Aus- Betrieb

annähernd ausgeglichen werden, daher aber hohe Investitionskosten und

Wartungskosten für die Mehr-Modul-Anlage

3.2.2.4.2 Dieselmotoren

- Wartungs- und Bedienungsfreundlichkeit
- hohe Verfügbarkeit
- lange Wartungsintervalle ( keine Zündkerzen, vollautomatisches Motor-

ölwechsel- und Nachfüllsystem )

- hoher Teillastwirkungsgrad
- 1 Modul-Betrieb möglich, daher geringe Investitionskosten
- wirklastoptimierte Fahrweise möglich
- keine leitungsgebundene Infrastruktur für den Brennstoff

erforderlich, damit entfällt teure Leistungspreisentwicklung

- relativ einfache Brennstofflagerung

Der Leistungsbereich der oben genannten Verbrennungsmotoren reicht von etwa 5 bis zu mehreren 1000 kWel.

3.2.3 Brennstoffe

2.3.1. Brennstoffe für Gasmotoren

- Erdgas
- Flüssiggas (Propan, Butan)
- Klärgas
- Deponiegas
- andere Biogase sowie Schwelgase (Stadt-, Kokerei-, Gicht-

oder Grubengase)

3.2.3.1 Flüssige Brennstoffe für Dieselmotoren

- extra leichtes Heizöl für schnell laufende Dieselmotoren

und Diesel-Gasmotoren (> 1000 1/min)

- Mischöl für mittelschnell laufende Motoren zwischen 600 und 1000 1/min

- schweres Heizöl und andere Rückstandsöle für langsam laufende Motoren

3.2.4 Stromerzeugung

Es werden in der BHKW-Technik zwei verschiedene Arten, um die mechanische Energie des Motors in elektrische Energie umzuwandeln, angewendet, um den Strom zu erzeugen, den Asynchron- und Synchrongenerator. Beide sind fest oder über einer Kupplung mit dem Antriebsmotor verbunden. Die Klemmenspannung beträgt bei den verwendeten Generatoren 400/230 Volt und sie werden mit der Frequenz des Netzes betrieben. Die erzeugte elektrische Energie wird zur Abdeckung des Eigenbedarfs vom Betreiber und ggf. zur Überschussstromeinspeisung genutzt.

3.2.4.1 Der Synchrongenerator

Dieser Generatortyp ermöglicht den Betrieb eines Inselnetzes sowie die häufigere Anwendung als Notstrom- und Netzersatzbetrieb. Beim Netzparallelbetrieb muss die Spannung, die Frequenz und die Phasenlage, genau mit dem Netz übereinstimmen. Dieses erfolgt mit einem vollautomatischen Synchronisierungsgerät.

Die Leistungsabgabe hängt direkt mit dem Voreilwinkel des Läufers gegenüber dem netzparallelen Drehfeld des Stators (Ankerwicklung) zusammen. Der Generator läuft mit der Synchrondrehzahl des Netzes starr und der Antriebsmotor bleibt an diese Drehzahl gebunden.

In der Wicklung des Läufers wird mit Hilfe einer Gleichstromquelle ein eigenes Feld erzeugt und induziert im Stator die erforderliche Betriebsspannung, ohne dabei Blindstrom aus dem öffentlichen Netz zu beziehen. Der benötigte Gleichstrom wird meist der gekoppelten Erregermaschine entnommen. Beim Start wird das Aggregat bis auf Synchrondrehzahl hochgefahren, wobei der Läufer erregt und die Betriebsspannung im Stator erreicht wird. Sobald der Stator zum Netz geschaltet ist und die Automatik den Synchronisierungsvorgang abgeschlossen hat, läuft der Motor auf Nennlast.

Wie schon erwähnt, benötigt der Synchrongenerator keinen Blindstrom aus dem Netz. Er kann aber je nach Erregung Blindstrom abgeben und somit den Blindstrombedarf weiterer Asynchrongeneratoren decken.

Im BHKW-Einsatz kommen schleifringlose Generatoren zum Einsatz, wodurch ein, von der elektrischen Seite her, wartungsfreies Bauteil zur Verfügung steht.

Generatoren müssen auf Grund der entstehenden Verlustwärme gekühlt werden. Im Normalfall geschieht dies durch Luft, die durch den Generator geblasen wird. Es können aber auch wassergekühlte Generatoren installiert werden, die eine Steigerung des thermischen Nutzungsgrades von ca. 4% ermöglichen, wenn Niedertemperaturwärme von ca. 30°C genutzt werden kann.

3.2.4.2 Der Asynchrongenerator

Asynchrongeneratoren sind robuste Kurzschlussläufer in ähnlicher Bauweise und Schaltung wie Synchrongeneratoren.

Der Asynchrongenerator benötigt ein Drehstromnetz, das die Netzfrequenz vorgibt und den für die Erregung erforderlichen Blindstrom liefert. Sie sind ohne Zusatzeinrichtungen, wie z.B. Kondensatoren, nur für den Netzparallelbetrieb geeignet. Dieser Generatortyp wird mit übersynchroner Drehzahl angetrieben (z.B. 1530 statt 1500 1/min), um einen Schlupf gegenüber dem Drehfeld des Stators zu haben. Die Leistungsabgabe steigert sich mit dem Überdrehzahlschlupf.

Das Aggregat mit Asynchrongenerator wird ohne Last hochgefahren und bei Erreichen der Synchrondrehzahl wird das Feld an das Netz zugeschaltet. Dabei entsteht ein erheblicher Stromstoß (Einschaltrush), der durch den Aufbau der Magnetisierung von Stator und Läufer verursacht wird. Dieser so genannte Rush-Strom hält für ca. 0,03 Sekunden an und kann bei Synchrondrehzahl einen Wert bis zum Zwölffachen des Nennstromes erreichen. Daher sollten Generatoren mit Einschaltwiderständen ausgerüstet sein, die den Rush-Strom auf ungefähr den dreifachen Wert des Nennstromes begrenzen. Ein Notstrombetrieb ist mit diesem Generator nicht möglich (fehlender Blindstrom ).

Bei Anlagen ab ca. 250 kWel sind die Kosten gegenüber Synchrongeneratoren nur noch unwesentlich geringer. Wegen der höheren Fertigungsstückzahlen sind Synchrongeneratoren, obwohl technisch aufwendiger, den Asynchrongeneratoren bezüglich der Investitionen heute gleichzusetzen.

3.2.4.3 Schutzeinrichtungen

Wie bei allen anderen elektrischen und Netzteilen müssen auch hier Schutzeinrichtungen gegen Überlast und Kurzschluss vorgesehen werden. Im Falle eines Kurzschlusses müssen die installierten Schutzeinrichtungen wie Sicherungen, Schütze und Leistungsschalter so dimensioniert sein, dass sie den Generator abschalten können.

Folgende Schutzeinrichtungen können hierfür vorgesehen werden:

- Überstromschutz
- Kurzschlussschutz
- Rückleistungsschutz
- Differentialschutz
- Über- / Unterspannungsschutz
- Wicklungstemperaturfühler mit unterschiedlicher Ansprechtemperatur
- Ständer- und Läufer-Erdschluss
- Über- und Unterfrequenzschutz

3.2.5 Wärmeübertragung

In KWK-Anlagen können die Abwärmeströme mittels Wärmeüberträger in den Nutzwärmekreis eingekoppelt werden. Dadurch sind Nutzungsgrade bis zu 90% möglich. Eingesetzt werden Kühlwasserwärmetauscher und nachgeschaltete Abgaswärmetauscher, um möglichst eine große Wärmenutzung zu bekommen. Sie werden in der Regel in Reihe in die Heizungsanlage eingebunden.

3.2.5.1 Kühlwasserwärmetauscher

Eingesetzt werden Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher, die als Standartbauteile erhältlich sind. Rohrbündelwärmetauscher haben einen geringen Druckverlust, wo hingegen Plattenwärmetauscher ein geringeres Bauvolumen aufweisen. Die bei schwankenden Volumenströmen und Temperaturen unempfindlichen Plattenwärmetauscher sind aus Edelstahlplatten zusammen geschraubt, die leicht zu reinigen sind. Durch Hinzufügen von weiteren Platten können sie leistungsgerecht angepasst werden. Die genannten Wärmetauscher werden als Gegenströmer eingesetzt. Die maximale Vorlauftemperatur beträgt in der Regel bis zu 95°C, die zu Heizzwecke, zur Brauchwassererwärmung und in anderen Bereichen Verwendung findet.

Um höhere Temperaturen von 115 bis 130°C für Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, kann die so genannte „Heißkühlung“ eingesetzt werden. Jedoch darf die Rücklauftemperatur nicht überschritten werden, da sonst eine ausreichende Kühlung des Motors nicht mehr gewährleistet wird. Dies wird durch geeignete Regelelemente (Rücklaufbegrenzungsthermostat, Zusatzkühlung) erreicht. Um Wärmestaus nach Abschalten des Motors zu verhindern, ist ein Nachlauf der Kühlwasser- und Ölpumpen erforderlich.

3.2.5.2 Abgaswärmetauscher

Um die Temperaturen des Abgases von bis zu 650°C zu nutzen, werden Rohrbündel-Wärmetauscher eingesetzt. Sie werden als ein oder mehrzügige Bauteile in geneigt, liegender oder stehender Anordnung installiert.

auf Grund der möglichen Verschmutzung des Wärmeüberträgers muss bei der Auslegung eine gewisse Leistungsreserve berücksichtigt werden. Die Reinigung kann chemisch oder mechanisch erfolgen. Bei Gefahr der Kondensatbildung (Korrosionsprobleme) werden die Rohrbündelwärmetauscher aus Edelstahl hergestellt.

Gerade Abgaswärmetauscher von Dieselmotoren verschmutzen besonders schnell, da sie Rußpartikel im Abgas führen. Hier wurden eigens vollautomatische selbstreinigende Abgaswärmetauscher entwickelt, so dass der ursprüngliche Nachteil gegenüber Gasmotoren nicht mehr besteht. Gleichzeitig werden bei diesem System durch die Funktion des Rußabbrandfilters Schwefeldioxid und Stickoxide an die Rußpartikel gebunden.

3.2.5.3 Abhitzekessel

Der Abhitzekessel kann als reiner Wärmetauscher angesehen werden, wenn ausschließlich die Abgaswärme zurückgewonnen wird. Die hohen Temperaturen von 450 bis 650°C können hier zur Dampferzeugung genutzt werden. Hierbei beträgt der maximale Druck bei Verbrennungsmotoren ca. 5 bar.

Der in den Abgasen enthaltene Restsauerstoff kann als Verbrennungsluft für einen zusätzlichen Brenner im Abhitzekessel verwendet werden. Dieser Restsauerstoffanteil beträgt bei Gas-Magermotoren meistens noch 5 bis 8%, bei Dieselmotoren hingegen noch ca. 12%. Damit lassen sich bei Verbrennungsmotoren rund 0,2 t/h Dampf pro MW elektrischer Leistung erzeugen.

Der Preis eines Abhitzekessels mit zusätzlicher Feuerung beträgt 200 bis 500 DM/kW thermischer Leistung.

3.2.6 Spitzenkessel

Für eine Motorenanlage sind wesentlich höhere Investitionen im Vergleich zur konventionellen Kesselanlage erforderlich. In der Mehrzahl der Anwendungen ist es daher wirtschaftlicher, den Spitzenwärmebedarf mit einem Heizkessel abzudecken. Da möglichst hohe jährliche Betriebsstunden der BHKW-Aggregate anzustreben sind, wird die Laufzeit des Spitzenkessels entsprechend geringer. Die Kesselanlage muss in vielen Anwendungsfällen bei einer Störung oder Wartung der BHKW-Anlage den gesamten Wärmebedarf abdecken. Wird eine vorhandene Heizungsanlage mit einem BHKW nachgerüstet, so übernimmt der vorhandene Kessel die Funktion des Spitzenkessels, wobei dieser aber zur Verbesserung des Jahresnutzungsgrades mit einem mehrstufigen Brenner versehen sein sollte. Die Spitzenlastabdeckung kann bei größeren Anlagen auf mehrere Kessel unterschiedlicher Leistung verteilt werden.

Das BHKW sollte so dimensioniert sein, dass bei einer Auslegung von 20 bis 60% der maximalen Wärmeleistung je nach Bedarfsstruktur 70 bis 90% der Jahreswärmearbeit abgedeckt werden können.

Bei Kenntnis der Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs kann die Auslegung der Mehr-Modul-Anlage wie in Bild 2.6 graphisch erfolgen (Bei Gasmotoren zwingend erforderlich, weil kein Teillastbetrieb möglich. (bei Heizölmotoren kann ein Modul genügen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.7: Jahresdauerlinie der Wärmearbeit

3.2.7 Abgasanlage

Um Schadstoffemissionswerte der TA-Luft einzuhalten, wird dem Verbrennungsmotor z.B. ein Drei-Wege-Katalysator, ein Selektiv-Katalysator oder ein Rußfilter nachgeschaltet.

Durch den Einbau von Absorptions- oder kombinierten Absorptionsreflexionsschalldämpfern in der Abgasführung können die Grenzwerte der TA-Lärm erreicht werden. Bei Mehrmotorenanlagen besteht die Möglichkeit einen Sammelschalldämpfer zu installieren, um eine höhere Geräuschdämpfung zu bekommen.

3.2.8 Steuer- und Regeleinrichtung

Die kleineren BHKW-Anlagen sind im allgemeinen in Niederspannung 400/230 V ausgelegt. Die erforderlichen Schalt-, Steuer-, und Messgeräte werden gemeinsam in einem Schaltschrank untergebracht. Eine elektronische Überwachung und Regelung der BHKW ermöglicht einen vollautomatischen Betrieb. Neben der Steuerung und Betriebsüberwachung der einzelnen Aggregate übernimmt die Leittechnik die Aufgabe der Leistungsregelung des BHKW. Sie koordiniert den Ablauf und Einsatz der Einzelelemente und ist für den wirtschaftlichen Betrieb von großer Bedeutung.

Aufgaben der Leittechnik:

- Startvoraussetzungen abfragen und den Start der Aggregate einleiten
- Störungen erkennen und ggf. betroffene Aggregate geordnet außer

Betrieb setzen

- Signale aufnehmen und so verarbeiten, dass sich ein möglichst

wirtschaftlicher Betrieb einstellt

- Betriebsstunden der Einzelaggregate untereinander ausgleichen,

Starthäufigkeit gering halten und Laufzeiten ausdehnen

Die Aufgaben werden aus Gründen der Betriebssicherheit auf das Modul- und Zentralleitsystem verteilt.

2.8.1 Modulleitsystem

Das Modulleitsystem ist jeweils für ein Aggregat (Modul) zuständig. Im Schaltschrank sind Geräte und Überwachungsfunktionen wie Strom-, Leistungs- und Temperaturmessgerät, Betriebsstundenzähler, Motortemperaturbegrenzer etc. untergebracht. Die Daten werden über Messwertschreiber und/oder Drucker festgehalten. Der Aufgabenbereich beinhaltet die Durchführung von Start und Abstellung der Aggregate, Betriebsüberwachung und lastabhängige Drehzahlregelung, sowie die Lambda-Regelung bei Drei-Wege-Katalysator- oder Mager-Gemischmotoreinsatz.

2.8.2 Zentralleitsystem

Das Zentralleitsystem ist für die Überwachung, Regelung und Steuerung der Gesamtanlage verantwortlich. Zu den Aufgaben gehören u.a. die Erfassung und Verarbeitung des Wärmbedarfs- und elektrischen Leistungskriterien (Temperaturregelung, Nachtabsenkung. Stromvorrang-, Spitzenstrom- und Notstrombetrieb), Anwahl und Synchronisieren der Aggregate, Ansteuerung der Spitzenkessel, Speicher oder Notkühler.

Bei dem vollautomatischen Betrieb der BHKW-Anlage ist eine werktägige Begehung und eine Störmeldeeinrichtung zu einer Zentrale in der Regel ausreichend. Großanlagen mit mehreren Modulen werden mit einer Fernüberwachung ausgerüstet, um einen auftretenden Fehler früh zu erkennen, den Schaden möglichst gering zu halten und somit den Betrieb nicht oder nur kurzzeitig unterbrechen zu müssen.

3.2.9 Wärmespeicher

Das BHKW erreicht den besten Gesamtwirkungsgrad, wenn der Strom- und Wärmebedarf parallel verläuft, d.h. wenn die erzeugte Wärme auch genutzt werden kann. Bei tageszeitlichen unterschiedlichem Strom- und Wärmebedarf kann die Überschusswärme in einen Kurzzeitspeicher eingespeist und bei Bedarf wieder entnommen werden. Ein ständiges Takten der jeweiligen Module wird verhindert, um eine verschleißärmere Fahrweise zu ermöglichen. Der Speicher, der in der Regel Wasser als „Wärmeübertrager“ benutzt, ist parallel zu den Erzeugungseinheiten geschaltet.

In der BHKW-Technik werden überwiegend Verdrängungsspeicher in Zylinderform eingesetzt, die während des Betriebes ständig mit Heizungswasser gefüllt sind. Mit Schwimmbädern ist ein speicherähnlicher Betrieb, der so genannte Pufferbetrieb, möglich. Anfallende Überschusswärme geht nicht verloren, sondern wird in das Beckenwasser eingespeist und erhöht dessen Temperatur nur unwesentlich.

Die Dimensionierung erfolgt in Abhängigkeit der thermischen Leistung des BHKW und der Ladezeit unter Berücksichtigung der nutzbaren Temperaturdifferenz des Speicherinhalts.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei bedeuten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Warmwasserspeicherkapazität beträgt somit 17,4 kWh/ m3 ohne Verluste bei einer Temperaturdifferenz von 15 K. Der Preis eines solchen Speichers liegt bei ungefähr 800 DM/ m3.

Steht kein Wärmespeicher zur Verfügung, oder ist deren Speicherkapazität erschöpft, übernimmt ein installierter „Notkühler“ die erforderliche Kühlung des Motors und verhindert eine Überhitzung des Aggregats. Somit muss die gesamte Kühlleistung des Motors über den Notkühler abgedeckt werden können. Dieser Luft-Wasser-Wärmetauscher ist mit einem Ventilator ausgerüstet, der die notwendige Luft durch den Wärmetauscher „bläst“.

3.2.10 Elektrische Einbindung an das öffentliche Netz

Die Einbindung an das elektrische Netz erfolgt normalerweise an das vorhandene Niederspannungsnetz auf der 400/230 -Volt -Ebene , nur bei größeren Anlagen über 1MWel erfolgt sie unter anderen an das Mittelspannungsnetz. Die Verlegung einer neuen Leitung direkt zum nächsten Knotenpunkt oder die Installation einer eigenen Trafostation ist nur in wenigen Fällen notwendig, da die vorhandenen Leitungskapazitäten und Transformatoren in der Regel von der Größe her ausreichen. Hierfür sind alle notwendigen Netzüberwachungs- und Schutzeinrichtungen vorzusehen, welche das zuständige Energieversorgungsunternehmen in ihren technischen Anschlussbedingungen (TAB) festgelegt hat. Sollten technisch nicht zu rechtfertigende Einrichtungen verlangt werden, kann eine kartellrechtliche Überprüfung dieser Bedingungen veranlasst werden.

3.2.11 Typische Einsatzgebiete von BHKW’s

Die bei dem Koppelprozess erzeugte Wärme kann für verschiedene Zwecke genutzt werden Die unterschiedlichen Bereiche sind u.a.:

- Raumwärme (Hallenbäder, Krankenhäuser, Schulen, Sportzentren, Wohnsiedlungen etc.)
- Prozesswärme (Metallindustrie, Fleischfabrik, Molkerei, Holzver- arbeitung etc.)
- Fernwärme (kommunales Fernwärmenetz)
- Klima- und Kälteanlagen

Der Wärme- und Strombedarf muss zeitlich möglichst den gleichen Verlauf aufweisen , damit ein wirtschaftlicher Betrieb des BHKW gewährleistet wird. Auftretende Ungleichmäßigkeiten werden mittels Wärmespeicher überbrückt.

Der klassische Einsatzbereich liegt bei der Niedertemperaturwärmeerzeugung mit Temperaturen unter 100 °C zur Deckung des Heizwärme-, Brauchwasser- sowie Prozesswärmebedarfs mit entsprechend niedrigem Temperaturniveau. Die Verwendung von Verbrennungsmotoren mit der so genannten „Heißkühlung“, die eine Kühlwasser-Temperatur von über 100 °C zulassen, erlauben den Einsatz zur Erzeugung von Prozesswärme auf höherem Temperaturniveau. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Wärmeauskopplung in zwei Heizkreise aufzuteilen. Der Kühlwasser- und der Schmierölwärmetauscher versorgt den Niedertemperaturkreis mit ca. 75 °C warmem Wasser, wobei der folgende Abgaswärmetauscher Niederdruckdampf erzeugt.

4 Energie und Emissionsbilanzen

4.1 Einleitung

Die Deckung unseres Energiebedarfes ist zum Teil mit erheblichen Umweltbeeinträchtigungen verbunden. Sie sind auf allen Stufen der Versorgungskette festzustellen, von der Gewinnung der Energieträger bis zur Verbrennung , und betreffen praktisch alle Umweltbereiche.

(Siehe Bild 3.1.)

Daher sind energiebedingte Umweltbelastungen durch den Einsatz von BHKW-Anlagen vor dem Hintergrund folgender Fragen zu untersuchen:

- Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Energieträger
- befürchtete Klimaauswirkungen durch Veränderung von Spuren-

Gaskonzentration in der Atmosphäre

- Schallemissionen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1: Auswirkungen auf die Umwelt durch Energieverbrauch

4.2 Energieverbrauch und Umweltbelastung

Die negativen Auswirkungen des Primärenergieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen wurde zu Beginn der Umweltdiskussion im Zusammenhang mit dem Waldsterben durch SO2 und NOX sichtbar. Inzwischen hat sich die Debatte verlagert und auch verschärft: Die möglichen Auswirkungen des „Treibhauseffektes“ sowie des „Ozonloches“ werden in immer düsteren Farben gemalt. Dabei ist inzwischen dem natürlichen und dem antrophogenen , d.h. vom Menschen verursachten Treibhauseffektes zu unterscheiden. Denn nur der antrophogene Treibhauseffekt ist im Zusammenhang mit der Energieversorgung von Bedeutung, da er das natürliche Gleichgewicht verändert.

Von den antrophogenen Spurengasen trägt CO2 mit rund 50%, das Methan mit rund 13%, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) mit 22% und sonstige Spurengase mit 15% zum Treibhauseffekt bei. Die Reduzierung dieser Spurengase ist die größte Herausforderung für die Energiewirtschaft, da hier die eingesetzten fossilen Energieträger mit 40% für das CO2 und 10% für andere Spurengase am Treibhauseffekt beteiligt sind.

Die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre“ erarbeitete nach einer Analyse des internationalen Sachstandes von Wissenschaft und Politik zur Gesamtthematik Maßnahmen und Vorschläge zu einer am Schutz des Weltklimas orientierten Umweltpolitik. Auf dieser Grundlage geht die Bundesregierung bis zum Jahr 2005 von einer 25%igen Reduzierung des CO₂-Ausstoßes in der BRD aus.

Die folgenden Zahlen stammen aus dem Bericht der Enquete-Kommission „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre“, November 1988.

CO₂-Bildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger in kg CO₂/kWh Brennstoffeinsatz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Unter Berücksichtigung des elektrischen Wirkungsgrades ergibt sich eine CO₂-Bildung bezogen auf die Nutzenergie von:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Bild 3.2 CO₂-Bildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger bezogen auf den Brennstoffeinsatz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.3: CO₂-Bildung bezogen auf die elektrische Nutzenergie

4.3 Primäreinsparung durch BHKW-Technik

Die Stromerzeugung in heute üblichen Kondensations-Kraftwerken (gleichgültig ob die Wärme mit Öl, Erdgas, Kohle oder atomaren Brennstoff erzeugt wird) erfolgt mit einem Wirkungsgrad von durchschnittlich 36%, d.h. 64% der eingesetzten Primärenergie gehen bei der Umwandlung verloren (als Wärme) und heizen Atmosphäre und Gewässer auf. Siehe Bild 3.4.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.4:Getrennte Erzeugung von Wärme und Strom

In den Kraftwerken fällt ca. das 1,3-fache des Raumwärmebedarfs von Haushalten, Gewerbe und Verwaltung in Form von Abwärme an. Da diese Abwärme (Anergie) in der Regel nicht genutzt werden kann, muss zur Raumheizung die Wärme noch einmal erzeugt werden.

Im Gegensatz zum Kondensationskraftwerk wird beim Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen die Abwärme als Gebäudeheizung, Brauchwassererwärmung und zur Niedertemperatur-Prozesswärme genutzt. Der Koppelnutzungsgrad kann bis zu 90% betragen, d.h. es gehen nur 10% der Primärenergie verloren. Siehe Bild 3.5

Primäreinsparung: (1-(100/168))*100 = 40%

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Bild 3.5: Gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom mit BHKW-Anlagen

4.4 Vorschriften zur Reinhaltung der Luft

4.4.1 Das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

Das für die Luftreinhaltung zentrale Gesetz ist das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) vom 15.3.1974. Zweck dieses Gesetzes ist es, Menschen, Tiere, Pflanzen, Boden, Wasser, Atmosphäre sowie Kultur- und Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen wie schädliche Konzentrationen luftverunreinigender Stoffe, Lärm, Erschütterungen und anderen Einwirkungen zu schützen, sowie dem Entstehen schädlicher Umwelteinflüsse vorzubeugen (§ 1) .

Da nur wenige konkrete Einzelregelungen im Bundes-Immissionsschutzgesetz aufgeführt sind, wird es auch als Rahmengesetz angesehen (Siehe Bild 3.6.).

Das Bundes-Immissionsschutzgesetz unterscheidet nach genehmigungsbedürftigen Anlagen, die einer besonderen Genehmigung durch die zuständige Behörde (z.B. das Gewerbeaufsichtsamt) bedürfen, und nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen, für die zwar auch Anforderungen festgelegt werden, die aber keinem Genehmigungsverfahren nach dem BImSchG unterliegen

Die Auflistung der genehmigungsbedürftigen Anlagen, die „im besonderen Maße“ geeignet sind, schädliche Umwelteinwirkungen hervorzurufen oder in anderer Weise die Allgemeinheit oder Nachbarschaft zu gefährden, erheblich zu benachteiligen oder erheblich zu belästigen“ (§ 4 BImSchG), erfolgt im Rahmen der 4.Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (4. BImSchV).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.6: Immissionsschutzrechtliche Vorschriften

Alle in dieser, auch „Anlagenverordnung“ genannten Vorschrift, nicht aufgeführten Anlagen fallen in die Kategorie der nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen. BHKW-Anlagen sind nach der 4. BImSchV genehmigungsbedürftig,

- so weit sie mit Altöl oder Deponiegas betrieben werden oder
- so weit bei anderen Brennstoffen die Feuerungswärmeleistung >1 MW beträgt.

Aber auch an nicht genehmigungsbedürftige Anlagen werden durch das BImSchG §22 Abs.1 Anforderungen an die Betreiber gestellt.

Drei Grundpflichten sind zu erfüllen:

1. Schädliche Umwelteinwirkungen, die nach dem Stand der Technik

vermeidbar sind, müssen verhindert werden.

2. Unvermeidbare schädliche Umwelteinflüsse sind nach dem Stand der Technik

auf ein Mindestmaß zu begrenzen.

3. Die beim Betrieb der Anlagen entstehenden Abfälle müssen ordnungsgemäß

entsorgt werden.

Da das BImSchG nur wenige Einzelregelungen enthält, wird es durch Rechtsverordnungen und Verwaltungsvorschriften für genehmigungspflichtige Anlagen ergänzt:

a) Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA-Lärm)
b)Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft)

4.4.2 Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm

Die Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm ist eine Verwaltungsvorschrift und schreibt unter anderem Lärmschutzmaßnahmen vor und legt Richtwerte für Geräusch-Immissionen fest sowie Randbedingungen und Messverfahren für deren Ermittlung.

Als Lärm werden die Schallereignisse bezeichnet, die Nachbarn bzw. Dritte stören können. Zur Begrenzung der Einwirkung eines von einer Anlage ausgehenden Geräusches werden Immissionsrichtwerte festgesetzt. Grenzwerte enthält die folgende Tabelle:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Nachtzeit beträgt acht Stunden: Sie beginnt in der Regel um 22.00 Uhr und endet um 6.00 Uhr.

In der TA-Lärm werden außerdem die Randbedingungen für die Geräuschemissionsmessungen (Messgeräte, Messort, Messzeiten, Auswertung der Messergebnisse) genau festgelegt. Die vom BHKW ausgehenden Geräusche sind weitgehend gleichbleibend. Als Grenze muss der für die Nachtzeit geltende Richtwert angesetzt werden.

Um Unsicherheiten der Berechnung und beim Bau auszugleichen, sollten die zulässigen Grenzwerte in der Ausschreibung um ca. 3 dB(A) reduziert werden. Die Geräuschmessung in der Umgebung wird nach TA-Lärm im Abstand von 0,5 m von dem Lärm am stärksten betroffenen Wohngebäudes in der Nachbarschaft gemessen.

Die Schallmessungen an den Maschinen werden nach DIN 45635 durchgeführt, d.h. im Abstand von 1 m an verschiedenen Punkten. Die Auswertung erfolgt durch Ausmittlung der Werte unter Berücksichtigung von Fremdgeräuschen (z.B. Ventilatoren), Raumeinflüssen, (Reflexion) und einer Messgenauigkeit von +/- 3 dB(A).

4.4.2.1 Schallschutzmaßnahmen

In festen Körpern breitet sich der Schall gut aus, d.h. er wird nur wenig gedämpft. Zur Vermeidung dieses Effektes werden die Aggregate schwingungsisoliert aufgestellt und die angeschlossenen Rohrleitungen sowie die Lüftungs- und Abgaskanäle mit elastischen Elementen akustisch getrennt.

Je nach Bedarf kann für jedes einzelne Aggregat eine Schallschutzkabine vorgesehen werden oder eine gemeinsame für alle Aggregate.

4.4.3 Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft

Die TA-Luft legt unter anderem Emissionsgrenzwerte für bestimmte Anlagen und Stoffe, Immissionswerte für verschiedene Schadstoffe sowie Verfahren zur Ermittlung von Emissionen und Immissionen fest.

Sie entstand 1974 und ist die erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BImSchG. Der Geltungsbereich erstreckt sich zum einen auf die Anlagen, die lt. BImSchG genehmigungspflichtig sind, und wird auch bei nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen angewendet. Im speziellen Teil der TA-Luft sind für Abgase von Verbrennungsmotoranlagen und damit auch für BHKW folgende Schadstoffkonzentrationen festgelegt, die nicht überschritten werden dürfen:

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Bei dem Einsatz von flüssigen Brennstoffen gilt für Schwefeloxide der maximal zulässige Schwefelgehalt nach DIN 51603, Teil 1, ansonsten müssen entsprechende Maßnahmen zur Emissionsminderung angewendet werden.

Bezugsgröße für die Emissionswerte ist trockenes Abgas im Normzustand (0°C, 1013 mbar). Da sich die Emissionswerte auf einem Volumengehalt an Sauerstoff im Abgas von 5% beziehen, müssen die im Abgas gemessenen Emissionen umgerechnet werden.

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E_M = gemessene Emission in Vol.-ppm

E_B = Emission, bezogen auf Bezugssauerstoff, in Vol.-ppm

O_M = gemessener Sauerstoffgehalt in Vol.-%

O_B =Bezugssauerstoffgehalt (5 Vol.-%)

4.4.4 Abgasbestandteile von motorischen Verbrennungsprozessen

Bei der motorischen Verbrennung entstehen zum Einen umweltneutrale Gase und zum anderen luftverunreinigende Stoffe, die sowohl brennstoffabhängig als auch prozessabhängig sind.

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Tabelle 3.1: Abgasbestandteile

Zusätzlich sind noch Schwefeldioxid und Rußemissionen zu berücksichtigen, die bei der Verbrennung in Dieselmotoren entstehen. Bei allen Verbrennungsvorgängen entsteht neben unbedeutenden Sonderformen, CO und Stickstoffoxide (NOX). Den Stickoxiden wird dabei die meiste Bedeutung zugemessen, da sie mit dem „Waldsterben“ in Verbindung gebracht werden.

Der Sammelbegriff Stickoxide oder NOX umfasst im wesentlichen die Bestandteile Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). Bei einer Konventionellen Feuerung entstehen bei der Verbrennung aus dem Stickstoff ca. 90% NO und 10% NO2.

Das NO oxidiert in der Atmosphäre mit dem Luftsauerstoff zu NO2. Die daraus entstehende Salpetersäure ist ein Bestandteil des sauren Regens. Nach der Herkunft werden drei verschiedene Bildungsmechanismen unterschieden: 1.) Promptes NOX , 2.) Brennstoff- NOX und 3.) Thermisches NOX.

Promptes NOX entsteht infolge des Luftüberschusses durch den freien Sauerstoff während des Verbrennungsprozesses. Die so entstehenden NOX -Mengen sind jedoch vor allem bei der Gasverbrennung besonders gering. Brennstoff- NOX entsteht durch die Reaktion des im Brennstoff in organischer Form gebundenen Stickstoffes mit dem Luftsauerstoff bei Verbrennungstemperaturen von 1000°C und darüber. Brennstoff- NOX entsteht nur bei der Verbrennung von Kohle und Heizöl, während Erdgas keinen organisch gebundenen Stickstoff enthält.

Das thermische NOX entsteht bei allen Verbrennungen mit Luft und ist hauptsächlich von der Verbrennungstemperatur, dem Sauerstoff-Partialdruck und der Verweilzeit der Verbrennungsgase bei der Temperatur abhängig.

Die CO-Bildung erfolgt grundsätzlich durch unvollständige Oxidation infolge Luftmangels und zu rascher Abkühlung der Flamme. Im Brennraum sind die CO-Konzentrationen während der Verbrennung am höchsten. Bei der anschließenden Expansion wird ein Teil des CO unter Reduktion des Wasserdampfes zu CO2 oxidiert (Wassergasreaktion). Die CO-Konzentration im Abgas entspricht erfahrungsgemäß recht gut der Gleichgewichts-Konzentration, wie sie bei ca. 1700°C vorliegt.

Die HC-Emission ist die Summe aller unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas. Sie stammen aus Zonen, die nicht oder nur unvollständig von der Verbrennung erfasst wurden. Bei den Otto-Motoren sind diese Zonen insbesondere wandnahe-Schichten.

Ruß tritt brennstofftunabhängig bei der Verbrennung unter extremen Luftmangel auf. Es handelt sich um nicht oxidierte Zersetzungsprodukte des Brennstoffes. Diese Bedingungen sind im Otto-Motor normalerweise gering, beim Dieselmotor wegen Inhomogenitäten infolge der inneren Gemischbildung gegeben.

4.5 Maßnahmen zur Schadstoff-Emissionsminderung

4.5.1 Allgemein

Eine Beeinflussung der Schadstoffemissionen kann durch verschiedene betriebliche und konstruktive Maßnahmen erreicht werden. Eine Minderung der von BHKW produzierten Schadstoffe erfolgt durch unterschiedliche technische Maßnahmen. Sie müssen die von der TA-Luft festgelegten Werte unterschreiten. Es wird dabei zwischen zwei Maßnahmen unterschieden:

a) Primärmaßnahmen
b) Sekundärmaßnahmen

Unter Primärmaßnahmen, Aktiv- oder direkten Maßnahmen werden Eingriffe in die Verbrennungsmaschine verstanden, die dazu führen, dass höhere Schadstoff-Konzentrationen erst gar nicht gebildet werden.

Bei Sekundärmaßnahmen, Passiv- oder indirekten Maßnahmen wird den Antriebsmaschinen eine Abgas-Reinigungsanlage nachgeschaltet. Letzteres kann umso kleiner, einfacher und damit kostengünstiger sein, je weniger NOX der Motor produziert.

Welche Maßnahme im Einzelfall ergriffen wird, hängt zum einen von der Art der Schadstoffe, des BHKW-Herstellers, des Betreibers und vom Gesetzgeber ab. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass jede Maßnahme zur Schadstoffminderung Investitionen erfordert und dadurch die Wirtschaftlichkeit einer Anlage erheblich beeinträchtigt werden kann.

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Tabelle 3.2: Maßnahmen zur Schadstoffminderung

Im folgenden werden verschiedene Abgas-Reinigungssysteme mit Katalysatoren, die auf jeweils eine Motortechnik und Betriebsweise abgestimmt sind, beschrieben.. Dazu gehören:

- Gas-Ottomotoren mit stöchiometrischem Betrieb bei Lambda < 1
- Gas-Ottomotoren mit Magerbetrieb bei Lambda = 1,5 bis 1,6
- Zweitaktmotoren die sowohl als Otto- und Dieselmotoren

betrieben werden

4.5.2 Abgasreinigungssysteme mit Katalysatoren

4.5.2.1 Lambda-1-Betrieb mit Drei-Wege-Katalysatoren

Bei Gasmotoren, die im Lambda-1-Betrieb gefahren werden, bietet sich die Abgasreinigung mit Drei-Wege-Katalysatoren nach dem so genannten NSCR-Verfahren (Non-Selective-Catalytic-Reduction) an. Sie stellt die eleganteste aller bekannten Abgas-Reinigungsmethoden für BHKW dar und ist seit mehreren Jahren bei Kraftfahrzeugen im Einsatz.

Gas-Ottomotoren emittieren Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff. In Bild 5.1 sind typische Emissionswerte als Funktion des Lambda-Wertes dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.7. Emission eines Gas-Ottomotors als Funktion von Lambda

Wenn das heiße Abgas den Drei-Wege-Katalysator durchströmt, werden die drei genannten Schadstoffe mit einander zur Reaktion gebracht und dadurch ohne den Zusatz einer weiteren Reaktionskomponente abgebaut. Einige typische Reaktionen, die dabei durch den Katalysator beschleunigt ablaufen, sind z.B. die Oxidation des Kohlendioxid durch Restsauerstoff oder die Reaktion von Kohlendioxid mit Stickoxid.

Um optimale Minderungsraten für alle drei Schadstoffe erreichen zu können, ist es zwingend notwendig, den Gas-Ottomotor in einem engen Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis bei einem Lambda-Wert < 1 zu betreiben. Bild 5.2 zeigt, dass außerhalb des sägenannten Arbeitsbereichs, auch „Lambda-Fenster“ genannt, nicht alle drei Schadstoffe gleichzeitig entfernt werden können. Dies ist chemisch bedingt. Im Falle vorliegenden Luftüberschusses werden nur Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe durch Oxidation gemindert, während bei Luftmangel nur die Stickoxide durch Reduktion in nennenswerten Umfang beseitigt werden.

Die Regelung der Brennstoff-Gemisch-Aufbereitung erfolgt ähnlich wie beim Kraftfahrzeug durch ein mikroprozessorgesteuertes Regulierventil. Das Messsignal für den Sauerstoffüber- bzw. Unterschuss liefert eine Lambda-Sonde auf Basis von Zirkonoxid, die direkt vor dem Katalysator im Abgaskanal installiert wird .

Der Lambda-1-Betrieb mit Drei-Wege-Katalysator ist üblicherweise nicht durch den Anbau eines Katalysators und eines Regelsystems an einen vorhandenen Gasmotor zu erreichen. Die besonderen Verbrennungsbedingungen erfordern spezielle Brennräume, Zündsysteme sowie Gemischaufbereitung- und -zuführung. Als Nachrüstung für Altanlagen sind solche Modifikationen zu aufwendig.

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Bild 4.8: Emissionskonversionsrate in Abhängigkeit vom Verbrennungsverhältnis

4.5.2.2 Lambda >1 Betrieb mit NH3-Einsatz und Oxidationskatalysator

Stickoxide werden durch den Oxidationskatalysator nicht gemindert. Wenn Stickoxide reduziert werden müssen, wird bislang nur die Methode der selektiven katalytischen Reduktion, dem so genannten SCR-Verfahren, mit Ammoniak als Reduktionsmittel angewandt.

Dieser Vorgang ist sehr kompliziert. Auf der Katalysatoroberfläche laufen an den Reaktionszentren verschiedene Reaktionen gleichzeitig ab, so greift z.B. auch Sauerstoff mit in das Geschehen ein, es wird NO und NO2 gleichermaßen reduziert, der Wassergehalt spielt eine gewisse Rolle usw.

Obwohl ich hier nicht weiter auf die weiteren Vorgänge im SCR-Katalysator eingehen möchte, will ich jedoch zeigen, dass bei einem Verhältnis Ammoniak zu Stickoxiden von 0,7 bis 1,0 eine Reduktion der Stickoxide von 70 bis 90% gelingt. Die limitierende Größe für den Umsatz und Abscheidegrad ist die Menge im Abgas nach dem Katalysator, der sog. Ammoniakschlupf.

In einem ersten Wärmetauscher wird das Abgas auf Katalysator-Betriebstemperatur abgekühlt. Dann wird die erforderlicher Menge Ammoniak möglichst homogen mit dem Rauchgas vermischt. Die selektive katalytische Reduktion geschieht beim durchströmen. Vor Eintritt in den Schornstein wird der verbliebene Wärmeinhalt genutzt, und das Abgas bis auf ca. 120°C abgekühlt. Der Abgas-Volumenstrom und der NOX-Gehalt nach dem Katalysator sind die Stellgrößen für die Regelung der Ammoniakmenge.

Oxidations- und Stickoxidkatalysator können bei Bedarf auch kombiniert werden. In Zusammenhang mit der Abgasreinigung von Dieselmotoren wird auf diesen Typ eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4.9: Verfahrensschema einer dreistufigen Abgasreinigungsanlage mit

katalytischem Rußfilter, SCR-Stufe und Oxidationsstufe

4.5.2.3 Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren

Die Abgase von Gas-Dieselmotoren enthalten, vergleichbar mit den überstöchiometrisch betriebenen Ottomotoren, überschüssigen Sauerstoff. Als Schadstoffe, die nach einer Minderung verlangen, werden Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide emittiert. Beim Durchströmen des Oxidationskatalysators werden Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Dabei entstehen wieder Kohlendioxid und Wasser. Danach werden die Abgase auf die für die Entstickung notwendige Temperatur abgekühlt und die benötigte Menge Ammoniak beigemischt. Die Minderung der Stickoxide erfolgt beim Kontakt mit dem SCR-Katalysator. Es folgt ein zweiter Wärmetauscher, bevor die Abgase in den Kamin gelangen.

Bei Dieselmotoren, die mit Heizöl betrieben werden, bereitet die Rußemission zusätzliche Umweltprobleme. Damit die Rußemissionen, entsprechend den vorgesehenen Grenzwerten vermindert werden kann, werden Rußfilter entwickelt.

Rußfilter sind regenerative katalytisch beschichtete Partikelfilter. Die Regeneration könnte durch Abbrennen der Rußbeladung bei Temperaturen von 450 bis 500°C erfolgen. Die zur Regenration notwendige Abgastemperatur kann über bedarfsabhängige Einstellung eines entsprechenden Lastpunktes erfolgen. Die katalytische Beschichtung hat neben der Herabsetzung der Rußzündtemperatur auch den Vorteil der Oxidation von HC,CO und der Rußemission.

Bei PKW- und LKW-Dieselmotoren werden sie bereits eingesetzt. Da Motorheizkraftwerke wesentlich höhere Standzeiten und Verfügbarkeiten verlangen, sind hier die Probleme der Regeneration technisch noch zu lösen.

4.5.3 Einsatz eines Magermischmotors

Das Magerkonzept ist eine geeignete Methode zur Schadstoffminderung. Sie beinhaltet die Erhöhung der Luftzahl (Luftüberschussbetrieb) verbunden mit der Anpassung des Zündzeitpunktes. Durch den hohen Luftüberschuss lassen sich die Verbrennungsspitzen-Temperaturen senken und damit die NO- und NO2-Emission eindämmen. Hohe Luftverhältnisse bedeuten aber einen geringen Energieinhalt des Gemisches und damit weniger Leistung. Durch Abgasturboaufladung wird dieser Effekt jedoch mehr als ausgeglichen. Dabei wird die Gemischaufladung angewandt, weil bessere Mischqualitäten erreicht werden und das Gemisch nicht vorverdichtet werden muss. Der hohe Gehalt an Überschussluft verlangsamt aber auch den Verbrennungsablauf und fördert die Entstehung von CO und unverbrannten Restkohlenwasserstoffe. Deshalb muss die Gas-Luft-Gemischeregekung den Betrieb zwischen Aussetzergrenze und abgesenkten NOX-Werten am Motor einstellen, wozu eine O2-Meßsonde im Abgas dient, die über ein Regelgerät die Gasmenge am Mischer dosiert.

Durch Hinzunahme des lastkennzeichnenden Signals von der Drosselklappenstellung ist das Regelgerät in der Lage, ein gewünschtes Lambda-Kennfeld zu fahren. Dadurch werden Teillasten, Start und Hochlauf bei gleichzeitig niedrigsten Schadstoffen beherrscht.

4.5.4 Resümee

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jedes der genannten Verfahren notwendig ist, um die vorgegebenen Richtwerte einhalten zu können.

- Für die Abgasreinigung von Gas-Ottomotoren im Lambda-1-Betrieb ermöglicht der Drei-Wege-Katalysator niedrigste Abgasemissionen. Es können gleichzeitig Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide im Abgas reduziert werden.

Das System ist in einem mittleren Leistungsbereich von 60 bis 500 kW Motor- leistung serienmäßig vorhanden.

- Bei großen Diesel- und Dieselgasmotoren ist das Verfahren der selektiven kata- lytischen Reduktion mit Ammoniakeindüsung zur Absenkung der Stickoxide die einzige Möglichkeit. Die Minderung des Kohlendioxid und der Kohlenwasser- stoffe gelingt durch den zusätzlichen Einsatz eines Oxidationskatalysators.

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