04105 Maximierung der elektrischen Eigenerzeugung eines BHKWs unter ökologischen und finanziellen Gesichtspunkten

Im Rahmen von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird zugeführte Brennstoffwärme in den meisten Fällen in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Dazu kommen im industriellen Umfeld im Normallfall Verbrennungsmotoren in Kombination mit Generatoren und Geräten zur Wärmeübertragung zum Einsatz. Untersuchungen zeigen trotz erheblicher Investitionskosten eine Vorteilhaftigkeit der gekoppelten Eigenerzeugung verglichen mit dem Fremdbezug elektrischer Energie mit ROIs von wenigen Jahren. Jedoch ist die möglichst weitreichende Nutzung der erzeugten Wärme notwendig und zieht eventuell die Notwendigkeit von Prozessanpassungen nach sich.

Thermische und elektrische Dauerlinie
Die Auslegung eines Blockheizkraftwerks (BHKW) erfolgt üblicherweise anhand der thermischen Dauerlinie des zu versorgenden Industriekomplexes. In Ermangelung einer angemessenen Messinfrastruktur oder eines Wärmenetzes zum Zeitpunkt der Planung wird zur Auslegung des BHKWs oftmals auf die elektrische Dauerlinie zurückgegriffen. Als Richtwert kann davon ausgegangen werden, dass für jede Einheit elektrischer Energie in etwa eine Einheit Wärme bereitgestellt werden kann (s. Abb. 2).

Zudem ist oftmals die Nutzung der Wärme aus Sicht der Betreiber nebensächlich, da das BHKW vor allem zum Zweck der günstigeren elektrischen Energieerzeugung errichtet wird. Wenn jedoch die gleichzeitig erzeugte Wärme nicht genutzt werden kann, kann im wärmegeführten Betrieb auch keine elektrische Energie erzeugt werden. Somit ist es notwendig, entweder den Wärmebedarf des Unternehmens zu erhöhen oder alternative Ansätze zur Wärmeabfuhr in Erwägung zu ziehen.

Dieser Artikel beschreibt im Folgenden eine anerkannte Methodik zur Ermittlung der spezifischen CO2-Faktoren der KWK-Wärme und des KWK-Stroms. Somit kann ermittelt werden, ob neben der finanziellen Vorteilhaftigkeit der ausgeweiteten Nutzung von KWK auch ein Beitrag zum nachhaltigen Handeln des Unternehmens geleistet wird.

Klimaschutzprogramm 2030
Ziel soll es sein, eine Erhöhung der elektrischen Eigenerzeugung durch Einsatz des Notkühlers unter Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte bei gleichzeitig niedrigen CO2-Emissionen der Energieversorgung zu erreichen. Zudem ist durch das Klimaschutzprogramm 2030 der Bundesregierung eine Erhöhung der Kosten durch Nutzung fossiler Energieträger im Rahmen einer CO2-Bepreisung zu erwarten. Dies soll bei der Bewertung mit einfließen.

Die Bestimmung der tatsächlichen Emissionen der Energieerzeugung im BHKW ist wichtig, um einen möglichst realistischen Vergleich der spezifischen Emissionen des KWK-Stroms mit denen der fremdbezogenen elektrischen Energie vornehmen zu können.

Koppelprodukte Warmwasser und Dampf
Im BHKW wird neben elektrischer (Strom) auch thermische Energie (Wärme) erzeugt. Wärme kann zum einen als Warmwasser mit einer Temperatur von circa 90 °C und auch als Dampf bereitgestellt werden. Diese Energieträger werden in den entsprechenden Normen und in wissenschaftlicher Literatur als „(KWK-)Koppelprodukte” bezeichnet.

Anerkannte Methodik zur Ermittlung der Emissionen
Nach VDI 4661 und EU-Richtlinie 2018/2001 soll zur Aufteilung der Emissionen die sogenannte Carnot-Methode genutzt werden [1] [2]. Hierfür werden je Koppelprodukt die Einzel-Wirkungsgrade und die Carnot-Faktoren benötigt. Mit dem Carnot-Faktor ηc wird die Arbeitsfähigkeit des jeweiligen End- bzw. Nutzenergieträgers ausgedrückt – je höher die Temperatur, desto umfangreicher kann dieser auch eingesetzt werden. Die Einzelwirkungsgrade der jeweiligen Koppelprodukte berechnen sich aus dem Verhältnis der Energiemenge zur eingesetzten Brennstoffenergie.

Dies klingt komplizierter, als es ist! Alles, was zur Ermittlung der Faktoren notwendig ist, ist die durchschnittliche Umgebungstemperatur des Standorts (Tu) und der Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauftemperatur. Wichtig ist, dass hier die Temperaturen in Kelvin (K) genutzt werden. Eine Umrechnung von Grad Celsius in Kelvin erfolgt durch Addition von 273,15 und der Temperatur in Grad Celsius. Zur Erleichterung der Anwendung ist diesem Beitrag eine Arbeitshilfe zur Ermittlung der Emissionen angehängt. Mit der folgenden Gleichung lässt sich der Faktor eines Koppelprodukts i bestimmen.

Für den Faktor der elektrischen Energie ist dies sogar noch einfacher: Per Definition ist der Carnot-Faktor der elektrischen Energie 1.

Die CO2-Emissionen des eingesetzten Energieträgers CB ergeben sich über die eingesetzte Energiemenge QB und die damit verbundenen spezifischen Emissionen CB.

Spezifische Emissionen des KWK-Stroms
Mithilfe der Einzel-Wirkungsgrade und der ermittelten Carnot-Faktoren aller Koppelprodukte lassen sich nun die spezifischen CO2-Emissionen ci eines jeden Koppelprodukts des BHKWs ermitteln. Diese ergeben sich aus dem Produkt des Verhältnisses der Emissionen der eingesetzten Brennstoffmenge CB und der Energiemenge des jeweiligen Koppelprodukts Qi sowie dem Gewichtungsfaktor bestehend aus dem Verhältnis der jeweiligen Produktwirkungsgrade und dem Gesamtwirkungsgrad.

Die zugehörige und zum Download bereitgestellte Arbeitshilfe erleichtert die Ermittlung der spezifischen Emissionen der Koppelprodukte nach der beschriebenen Methodik.[ 04105.xlsx]

Zum Vergleich der im BHKW erzeugten elektrischen Energie mit der aus dem Netz der allgemeinen Versorgung gibt es mehrere Werte, die ihre jeweilige Rechtfertigung haben.

So kann zum einen der von der BAFA veröffentlichte Wert der spezifischen Emissionen des bundesdeutschen Strommixes von derzeit 0,537 kg CO2/kWh genutzt werden [3]. Dem gegenüber steht der Wert des jeweiligen Energieversorgers. Als Beispiel sei an dieser Stelle ein Wert von 0,23 kg CO2/kWh genannt. Dieser ergibt sich durch einen höheren Anteil regenerativer Energien bei der Stromerzeugung.

Wahl des Vergleichswerts entscheidend
Das Beispiel aus Abschnitt 4 zeigt, dass die spezifischen Emissionen des KWK-Stroms zwar unter dem vom BAFA angegebenen Wert liegen, jedoch über dem des Energieversorgers. Es zeigt sich also, dass die Wahl des Vergleichswerts große Auswirkungen auf die ökologische Vorteilhaftigkeit der KWK-Erzeugung verglichen mit dem Fremdbezug elektrischer Energie hat.

Die Wahl ist dem Unternehmen überlassen. Um Konsistenz zu gewährleisten, sollte jedoch der Wert genommen werden, der auch an anderer Stelle – beispielsweise im Rahmen der Ermittlung des CO2-Fußabdrucks – genutzt wird.