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BHKW-Info: Oekologische Bewertung der KWK
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Ökologische Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung

Inhalt dieser Seite:
1. Einleitung
2. Vielfältigkeit der KWK
3. Energetischer Vergleich
4. Emissionsvergleiche
5. Fazit
6. Literatur

Dienhart, J. Nitsch

1. Einleitung

Hauptmotiv für den Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) - d.h. der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme - ist die effiziente Nutzungsmöglichkeit fossiler Energieträger. Als direkte Folge der Energieeinsparung können darüber hinaus brennstoffbedingte Emissionen wie SO2 sowie das Treibhausgas CO2 vermindert werden. KWK wird sowohl in der Industrie als auch in der öffentlichen Fernwärmeversorgung eingesetzt. In Westdeutschland ging der KWK-Anteil an der Bruttostromerzeugung von 18% im Jahr 1980 auf derzeit noch 10% zurück, konnte also mit dem wachsenden Strombedarf nicht Schritt halten.

Eine korrekte Bewertung der Vorteile der KWK verlangt wegen der Vielschichtigkeit von Technik, Anwendungsfällen und Brennstoffen und daraus resultierenden energetischen und emissionsrelevanten Effekten große Sorgfalt. Irritationen entstehen immer wieder bei der Auswahl "richtiger" Vergleichssysteme zur Bewertung der gekoppelten Erzeugung mit getrennter Bereitstellung von Strom und Wärme. Je nach Sichtweise und Fragestellung der Untersuchung werden hier oftmals aus der Palette der möglichen Technologien nur selektiv einzelne Systeme betrachtet - bei der Stromerzeugung etwa nur bestehende Kohlekraftwerke oder nur neue hochmoderne GuD-Kraftwerke.

In dieser Arbeit wird durch eine sorgfältige Darstellung und Variation der auslegungsrelevanten Parameter ein umfassender Überblick über die energetische Effizienz und die ökologischen Auswirkungen von KWK dargestellt. Basis sind heute verfügbare Neuanlagen, da so Entscheidungshilfen für zukünftig zu bauende Energiesysteme möglich werden. Bei den Vergleichen zwischen getrennter und gekoppelter Erzeugung von Strom und Wärme werden realistische Parameterbandbreiten gewählt um eine allgemeingültige Bewertung der energetischen Effizienz der KWK zu erhalten. Anschließend werden für einige typische kommunale KWK-Anwendungen sowohl die energetischen- als auch einigen Emmissionsaspekte untersucht. Als Vergleich auf der ungekoppelten Seite werden bei der Stromerzeugung sowohl Kohle- als auch GuD-Kondensationskraftwerke betrachtet, bei der Wärmeerzeugung Niedertemperatur- und Brennwertkessel. Durch die Festlegung dieses Spektrums der Vergleichssysteme erfolgt also keine eingeengte Betrachtung nur eines Vergleichsystems sondern es wird eine Bewertung bei einer Vielzahl von Randbedingungen möglich.

Basis der hier präsentierten Ergebnisse ist die Studie "Wirtschaftliches und ausschöpfbares Potential der KWK in Baden-Württemberg", die im Auftrag des Wirtschaftsministeriums von Baden-Württemberg federführend von der DLR in Zusammenarbeit mit dem ZSW und Partnern aus der Industrie durchgeführt wurde [1].

2. Vielfältigkeit der KWK

KWK-Systeme werden üblicherweise zur Wärmebedarfsdeckung ausgelegt. In Heizkraftwerken (HKW) kommen heute folgende technischen Systeme zum Einsatz: Motor-Kraftwerke (BHKW), Gasturbinen (GT), Dampfturbinen (DT), Gas-und Dampfturbinen (GuD) auf Erdgasbasis oder als Gas-Kohle Verbundblöcke. Bei den BHKW und den GT bewirkt die Abwärmenutzung keinerlei Einbußen beim elektrischen Wirkungsgrad. Bei den DT bewirkt die Wärmeauskopplung und somit die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades entsprechend dem gewählten Gegendruck einen Rückgang der elektrischen Leistung.

Ein besonderer Fall sind HKW's mit Entnahmekondensation, die oft in größeren Kommunen zur hauptsächlichen Stromerzeugung mit flexibler Wärmeauskopplung eingesetzt werden. Hier hat die Einzelanlage einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als HKW mit Gegendruckbetrieb - das HKW mit Entnahmekondensation ersetzt jedoch durch die flexible Wärmeauskopplung quasi ein Kondensationskraftwerk + HKW + eventuell den Spitzenkessel.

Bei den Anwendungsbereichen lassen sich kommunale und industrielle Versorgungsfälle sowie Verbundprojekten zwischen Kommunen und Industrie mit ihren jeweils spezifischen Eigenschaften z.B. hinsichtlich der Wärmelast unterscheiden. Durch Verbundprojekte ist oft eine Vergleichmäßigungen des Wärmelastgangs möglich. Weitere Unterschiede bestehen zwischen der Versorgung von Einzelobjekten bzw. einer Gruppe nahegelegener Einzelobjekte (z.B. Wohnblocks, Krankenhäuser usw.) und einer gebietsweisen Versorgung mittels Nah- oder Fernwärmeverteilung. Letztere haben zwar Verteilungsverluste, jedoch tritt ebenfalls eine Vergleichmäßigung der Wärmelast ein was die Auslastung des HKW begünstigt.

Als Brennstoffe kommen je nach Technologie Erdgas, Diesel, Kohle, Biogase oder feste Biomasse in Frage. Ein Brenstoffmix wie etwa bei Gas-Kohle-Verbundblöcken oder Biomasse-Kohle-Wirbelschichtanlagen ist ebenfalls möglich. Der Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe in KWK-Anlage und Spitzenkessel ist ebenfalls möglich und wird praktiziert.

In Tab. 1 sind wichtige technische Daten der KWK-Technologien dargestellt. Die Technologien sind hier nach Leistungsklassen und nach technischem Status unterteilt. Die Gesamtwirkungsgrade liegen i.d.R. zwischen 80-90%. Bei den BHKW ist noch keine Brennwertnutzung betrachtet, wodurch der Wirkungsgrad auf ca. 100% ansteigen kann, wenn geeignete Niedertemperaturheizungen eingesetzt werden.

Von besonderer Bedeutung für die energetische Effizienz der KWK ist der elektrische. Energieanteil an der Brennstoffausnutzung, was durch den elektrischen Wirkungsgrad oder auch durch die Stromkennzahl ausgedrückt wird. Die elektrische. Wirkungsgrade liegen - je nach Anlagengröße - für Klein-BHKW zwischen 25% - 30%, für größere BHKW um 35% und für Großdiesel bei ca. 40%. Mit modernen GuD-HKW sind mit 40%-50% die höchsten elektrischen. Wirkungsgrade darstellbar. Mit Ausnahme der Klein-BHKW (ca.5-10 kWe) sind für die "Heutigen Technologien" genügend belastbare technische und ökonomische Daten vorhanden.

Zukünftig werden auch die KWK Technologien von den Verbesserungen bei der Kraftwerkstechnik profitieren. Dies wird z.B. bei den GT-Entwicklungen deutlich, die sowohl in Kondensationskraftwerken als auch in HKW's eingesetzt werden können. Gleiches gilt auch für die BHKW, wo verschiedene Hersteller an verbesserten Motoren arbeiten. Diese Verbesserungen beziehen sich sowohl auf Wirkungsgraderhöhung als auch auf weitere Emissionsminderung.

Tab. 1: Typische Daten von heutigen und zukünftigen KWK-Techniken

Technologie Leistung Wirkungsgrad Strom-
kennzahl
max. Vorlauf-
temperatur
GesamtElektrisch
Heutige Systeme
Gas-Ottomotor BHKW ‹50kWe
   500 kWe
500-2000 kWe
80   90% 1) 23-30%
30   34%
32-37%
ca.0,35
0,5   0,6
0,6-0,7
ca 90°C
Diesel BHKW 50-500 kWe
2-10 MWe
80 - 90% 1) 35 - 40%
ca 42 %
11,75-11,8
0,92-0,95
ca 50°C
90-180 °C
Gasturbinen HKW 2) 1-3 MWe
3-10 MWe
10-100 MWe
80 - 85% 20-23 %
25-30 %
ca 33 %

0,5-0,6
0,6-1,0
100-450 °C
Dampfturbinen HKW
Gegendruck



Entnahme-
kondensation 3)

3-20 MWe
20-100 MWe
100-300 MWe
100-300 MWe
80-90 %
80-90 %
80-90 %
80-90 %
(60-70 %)
10-20 %
20-30 %
30-35 %
30-35 %
0,15-0,28
11,28-11,45
0,4-0,6
-

100-300 °C
GuD HKW
Gegendruck


Entnahme-
kondensation 3)

10& 100 MWe
100-300 MWe
100-300 MWe
80 90 %
80-90 %
80-90 %
(60-70 %)
ca 42 %
15-18 %
45-48 %
0,85  & 1,3
1,2-1,6
-

100 & 300 °C
1)
Neue Systeme
Stirling-Motor BHKW 5) 10 kWe ca 85 % 30-35 % 0,55-0,7 ca 90 °C
Phosphorsäure
Brennstoffzelle
0,2-1 MWe ca 85 % 40-45 % 0,9-1,3 ca 150 °C
Anmerkungen:
- Jahresnutzungsgrad der Anlagen ist i.d.R. etwas niedriger als der Wirkungsgrad
- bei GuD, GT und DT Anlagen ist der Wirkungsgrad vom Temperaturniveau abhänging, hier wird ein kommunales Wärmenetz mit
Tv="70-120" °C angenommen
1) ohne Brennwertnutzung, bei Brennwertnutzung erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad auf ca. 90-100 %
2) ohne Zusatzfeuerung
3) Daten gelten für max. Wärmeauskopplung, im Kondensationsbetrieb ist der elektr. Wirkungsgrad etwas höher
Werte in Klammern sind mittlere Jahreswerte
4) bei Auskopplung nach der DT; bei Wärmeauskopplung nach GT können 400-500 °C erreicht werden
5) techn. Daten des Stirling-BHKW V160 ( als Kleinserie aufgelegt)
Quelle: ( 2,3,4 )

Die potentiellen "Neuen Systemen" vor allem für kommunale Anwendungen sind das Stirlingmotor-BHKW und die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC-BZ). Die besonderen Vorteile dieser neuen Technologien sind der hohe elektrische Wirkungsgrad schon bei kleiner Systemleistung sowie die niedrigen Emissionen. Diese neuen Systeme sind derzeit noch in der Demonstrationsphase, wobei die PAFC vor allem in Japan und den USA als KWK-Anlagen eingesetzt werden [5]. Stirlingmotor-BHKW werden mit Unterstützung der Bundes-Umweltstiftung in einer Kleinserie gefertigt und in nächster Zeit installiert [6].

3. Energetischer Vergleich

Zur Beurteilung der energetischen Vorteile der KWK werden Systemvergleiche zwischen gekoppelter und getrennter Erzeugung durchgeführt. Dabei wird für vollständige Versorgungsalternativen der Brennstoffeinsatz zur Bereitstellung der gleichen Nutzenergie von Strom und Wärme verglichen. In Abb. 1 sind die im Vergleich betrachteten Energieflüsse dargestellt (inkl. Verluste und Hilfsenergieströme).


[Bild]

Abb. 1 Schema der getrennten und gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung

Das System zur gekoppelten Erzeugung besteht aus der KWK-Anlage und dem Spitzenkessel. Bei der Versorgung mehrere Objekte aus einer Heizzentrale ist noch ein Wärmenetz erforderlich. Die getrennte Bereitstellung von Strom erfolgt mit einem Kondensationskraftwerk, die Wärmeerzeugung mit einem Heizkessel beim Verbraucher.

Parametervariation

In Tabelle 2 sind typische Bandbreiten der Parameter von gekoppelter und getrennter Strom- und Wärmeerzeugung dargestellt.

Tab. 2: Bandbreite der Parameter für den Systemvergleich

Parameter

Bandbreite

Gekoppelte Erzeugung

 

Stromkennzahl

0,35 - 1,5

Gesamt-Nutzungsgrad

80% - 90%

Energieanteil Spitzenkessel

10%-40%

Nutzungsgrad Spitzenkessel

80%-90%

Wärmeverluste Wärmenetz 1)

0 - 15%

Pumpenstrombedarf 1)

0 - 2%

Stromverteilungsverluste 2)

0 - 3,5%

Getrennte Erzeugung

 

Kraftwerkswirkungsgrad

38% - 53%

Stromverteilungsverluste 2)

3% - 5%

Heizkessel-Jahresnutzungsgrad

80% - 100%

1) mittlerer Jahreswert in % der ges. Wärmeerzeugung 2) bezogen auf die Stromerzeugung

Der Energieanteil des Spitzenkessels ergibt sich im Einzelfall aus der Analyse des tages- und jahreszeitlichen Wärmebedarfs, wobei für einen wirtschaftlichen Betrieb eine hohe Auslastung der KWK angestrebt wird. Günstige Einzelobjekte wie Hallenbäder, aber auch Industriebetriebe oder große Fernwärmenetze mit Industrieeinspeisung haben Energieanteile des Spitzenkessels zwischen 10%-25%. Ungünstigere Versorgungsfälle wie Bürogebäude können Anteile bis 40% aufweisen, wobei ein hoher Spitzenkesselanteil die Energieeffizienz der KWK verringert.

Je nach Anschlußdichte schwanken auch die Verteilungsverluste der Wärmenetze, wobei vor allem die Unterverteilungen maßgebend sind. Typische Anwendungen liegen im Bereich von 6%-15% Wärmeverluste. Stromverteilungsverluste sind bei den objektbezogenen BHKW sowie bei industriellen KWK-Anlagen vernachlässigbar, da die elektrische Energie in der Nähe der Erzeugung verbraucht wird. Bei großen KWK-Anlagen mit Einspeisung ins Mittelspannungsnetz sind sie jedoch ebenso wie für die Kondensationskraftwerke zu berücksichtigen.

Typische Nettowirkungsgrade neuer Kraftwerke liegen zwischen 38% - 53% und decken die derzeit in Deutschland relevanten Technologien der Braunkohle- (38%) und Steinkohlekraftwerke (42%) sowie der im Ausland eingesetzten Gas-GuD-Kraftwerke (53%) ab. Die Wärmeerzeugung mit heutigen Niedertemperaturkesseln erfolgt mit einem Jahresnutzungsgrad von ca. 85%, mit Brennwertkesseln sind etwa 98%-100% bezogen auf den unteren Heizwert realisierbar.

In Abb. 2 sind die Auswirkungen der Parameter Kraftwerkswirkungsgrade, Nutzungsgrad Einzelheizung und Energieanteil Spitzenkessel auf die Brennstoffeinsparung der KWK dargestellt. Der elektrische Nutzungsgrad der KWK wurde zwischen 32%-40% variiert wobei die Wärmeverteilung mit einem Nahwärmenetz erfolgt. Zusätzlich wurde ein Klein-BHKW mit 22% elektrischem Nutzungsgrad zur Versorgung eines Einzelobjekts ohne Wärmenetz betrachtet. Das System mit 32% elektrischem Nutzungsgrad wurde ebenfalls ohne Wärmenetz gerechnet (gestrichelte Linie). Die getrennte Erzeugung erfolgt mit einem modernen Kohlekraftwerk mit 42% Wirkungsgrad und einem Niedertemperaturkessel mit 85% Jahresnutzungsgrad. Verglichen wurde jeweils gleiche Strom- und Wärmeerzeugung der Alternativen.

Abb. 2: Brennstoffeinsparung von KWK gegenüber Einzelerzeugung

Ersichtlich ist, daß die energetische Effizienz der KWK von einer großen Anzahl technischer Parameter abhängt. Je nach gewähltem Parametersatz können die Einsparungen der KWK in weiten Bereichen variieren (hier zwischen 10% und 38%). Wesentlichen Einfluß auf die energetische Effizienz der KWK haben der Kraftwerkswirkungsgrad, der Heizkesselnutzungsgrad, der Spitzenkesselanteil sowie der elektrische Wirkungsgrad der KWK-Anlage. So kann beispielsweise die Einsparung bei einem Kraftwerkswirkungsgrad von 42% je nach eingesetzter KWK-Technik (elektrischer. Wirkungsgrad) zwischen 18% und 32% variieren. Das Wärmeverteilnetz hat ebenfalls einen nennenswerten Einfluß, wie beim Vergleich der KWK-Variante mit 32% elektrischem Wirkungsgrad deutlich wird.

Günstig sind vor allem KWK-Anlagen mit hohem elektrischen Wirkungsgrad wie etwa GuD-HKW oder große BHKW. Generell gilt, daß die energetischen Vorteile der KWK im kommunalen Bereich mit zunehmendem Einsatz von Brennwertheizungen oder bei einem Zubau von GuD-Kraftwerken geringer werden. Entscheidend ist daher die Frage, inwieweit zukünftig derartige GuD-Kraftwerke in Deutschland einen Beitrag zur Stromerzeugung liefern und welche Anteile die Brennwertheizungen in Zukunft haben werden.

Brennstoffeinsparung typischer kommunaler Versorgungsfälle

Zur konkreten Beurteilung der energetischen Effizienz der KWK sind realistische Randbedingungen festzulegen. Um einen möglichst umfassenden Überblick zu erhalten, werden für ausgewählte kommunale Versorgungsfälle über ein weites Leistungs- und Technologiespektrum Systemvergleiche durchgeführt. In Tab. 3 sind die zugrundegelegten KWK-Systeme dargestellt. Die Systeme I - IV sind /KWK-BaWü, 1994/ entnommen, die weiteren Anlagen basieren auf typischen Durchschnittsdaten von größeren Fernwärmesystemem.

Die Daten der großen BHKW, der Gasturbinen- sowie der GuD-HKW sind prinzipiell auch für industrielle Prozeßwärme gültig. Für Systemvergleiche mit getrennter Erzeugung entfallen dann jedoch die Strom- und Wärmeverteilungsverluste, da der Strom meist innerhalb des Betriebs verbraucht wird und auch ein alternatives Heizwerk in ein Dampf- oder Heißwassernetz einspeisen würde.

Tab. 3: Technische Daten der betrachteten KWK-Systeme

Syst.
Beschreibung
KWK
Technologie
elektr. Leistung
P_el
kWe
Strom-
kennzahl
s 1)
-
Jahresnutzungsgrade
      el         th         ges

      %        %       %

Spitzenkessel
Nutzungs-grad
 
 
%
Anteil an
Wärme-
erzeug.
%
Verteilungsverluste
Strom
2)
 
%
Wärme
 
 
%
Pumpen-
strom
3)
%
I Verwaltungsgebäude
Motor-BHKW
1 Modul
50 0,50 29,3 58,7 88,0
85 35,0
     0        0         0
II Hallenbad
Motor-BHKW
3 Module
150 0,50 29,3 58,7 88,0
85 13,0
     0        0         0
III Nahwärme-
Neubaugebiet
Motor-BHKW
3 Module
300 0,56 31,8 57,2 89,0
85 26,7
     0        15         1,2
IV Nahwärme Altbauquartier
Motor-BHKW
4 Module
400 0,56 31,8 57,2 89,0
85 22,6
     0        6         0,6
V Nahwärmeversorgung
mit Gasturbine
Gas-GT-HKW 8000 0,52 29,0 56,0 85,0
85 25,0
     3,5        10         1
VIa  VIb
Fernwärmeversorgung
Gas- und Dampfturbine
Fernwärmeversorgung
Gas- und Dampfturbine
Gas-GuD-HKW
klein
50000 0,98 42,0 43,0 85,0
Gas-GuD-HKW
groß
300000 1,30 48,0 37,0 85,0
 
85 25,0
85 25,0
     3,5        10         1


     3,5        10         1

VII Fernwärmeversorgung
Dampfturbinen-HKW
Kohle DT-HKW 100000
bis
200000
0,60 32,0 53,0 85,0
85 25,0
     3,5        10         1
BHKW mit Gas-Ottomotoren ohne Brennwetnutzung: alle Fernwärmesysteme im Gegendruckbetrieb
1) s="elektr." Leistung/ thermische Leistung     2)="in" % der Stromerzeugung     3)in % der Wärmeerzeugung

In Abb. 3 ist die Brennstoffeinsparung der KWK im Vergleich zu getrennter Erzeugung mit Kohle- (42%) und GuD-Kraftwerk (53%) sowohl für Niedertemperatur- (85%) als auch Brennwertkessel (98%) dargestellt.

Verglichen mit dem Kohlekraftwerk (oberes Bild) sparen die KWK-Systeme durchschnittlich zwischen 20% und 30% Brennstoff ein, wenn bei der getrennten Erzeugung mit einem Niedertemperaturkessel verglichen wird. Trotz relativ niedriger DT-Wirkungsgrade und der Stromeinbuße durch die Wärmeauskopplung bei höherem Gegendruck ergibt sich auch für Kohle-HKW's (System VII) eine deutliche Einsparung. Besonders günstig sind größere BHKW-Einzelobjekte und Nahwärmesysteme mit hoher Wärmedichte (geringe Verteilungsverluste) sowie die GuD-HKW. Wird mit einem Brennwertkessel verglichen, sinkt die Brennstoffeinsparung auf Werte zwischen 10% und 28%.

Werden dieselben KWK-Systeme mit einem GuD-Kraftwerk mit Niedertemperaturkessel verglichen, sinkt die Brennstoffeinsparung auf Werte zwischen 10% und 20%, immer noch eine bedeutende Energieeinsparung. Beim Einsatz von Brennwertkesseln reduziert sich für ungünstige BHKW-Anwendungen (Nahwärme mit hohen Verteilungsverlusten, System III) die Brennstoffeinsparung auf nur 3%. Auch kleine GT-HKW (System V) sowie Kohle-HKW (System VII) haben dann ähnlich geringe Einspareffekte. Relativ günstig schneiden nach wie vor Groß-BHKW und GuD-HKW ab.

Bei allen Vergleichen mit Brennwertkesseln muß beachtet werden, daß auch bei BHKW eine Brennwertnutzung technisch realisierbar ist, was den Gesamtnutzungsgrad erhöht. Außerdem sollte sich ein realistischer Vergleich auf der Wärmeseite an einem "Mischwirkungsgrad" entsprechend dem Zubaumix von Niedertemperatur- und Brennwertkesseln orientieren. Entsprechend ist bei Kondensationskraftwerken zu verfahren. Hier ist der Energiemix aus Kohle- und GuD-Kraftwerken als Vergleich herzuziehen, wenn zukünftig Gas-GuD-Kraftwerke gebaut werden sollten.

4. Emissionsvergleiche

Feuerungsanlagen in Heizkesseln oder Kraftwerken sowie Verbrennungsmotoren stoßen im Betrieb eine Vielzahl von Luftschadstoffen mit teilweise komplexen Wechselwirkungen aus und haben so nachteilige und oft langfristige Auswirkungen auf Lebewesen und Ökosysteme. Neben energetischer Effizienz und Ressourcenschonung ist somit die Forderung nach geringem Schadstoffausstoß gleichrangig zu sehen, was u.a. in die Verordnungen des Bundesimmisionsschutzgesetzes Eingang gefunden hat.

Für die Emissionsbewertung der KWK werden hier nur die Hauptschadstoffe (NOx, SO2, CO, Staub, CO2) betrachtet, wobei auch die vorgelagerten Prozeßketten der Brennstoffe berücksichtigt werden. Dies entspricht einer globalen Sichtweise bei der Beurteilung der Umweltschädigungen, was unbedingt erforderlich ist.

Als Einflußfaktoren auf die Emissionen sind neben der eingesetzten Technik ebenfalls die Güte der Verbrennung und der eingesetzte Brennstoff zu beachten. Außerdem werden meist nachgeschaltete Reinigungsanlagen eingesetzt, etwa Katalysatoren für BHKW-Motoren oder Rauchgasreinigung bei Kraftwerken.

Vergleich der Hauptluftschadstoffe im BHKW-Referenzfall Krankenhaus


Anhand einer typischen BHKW-Anwendung (Krankenhaus, 800 kWe, Spitzenkesselanteil="16%") werden alle Hauptschadstoffe unter verschiedenen Randbedingungen analysiert, um so die verschiedenen Einflußgrößen auf die Emissionsbewertung zu verdeutlichen.Abb. 4 zeigt die Änderungen der Gesamtemissionen für das BHKW verglichen mit Kohle- sowie Gas-GuD-Kraftwerk und Gasheizkessel (85%). Die Emissionsfaktoren des BHKW gelten für sorgfältig gewartete Anlagen und liegen für NOx und CO bei 1/2 der TA-Luft Werte für genehmigungspflichtige BHKW-Anlagen. Die Emissionsfaktoren der Kessel entsprechen dem Standard "Blauer Engel", die der Kraftwerke typischen Neuanlagen.

[Bild]

Abb. 3: Brennstoffeinsparung der KWK-Systeme verglichen mit Kondensationskraftwerk und Heizkessel bei gleicher Strom- und Wärmeerzeugung der Varianten

Aus Abb. 4 werden die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die Emissionen deutlich (Minuszeichen="Verringerung" gegenüber getrennter Erzeugung). Das BHKW hat gegenüber dem Steinkohlekraftwerk deutliche Vorteile bezüglich CO2, SO2- und Staub Emissionen, relativ unabhängig vom Brennstoff des Spitzenkessels. Dies liegt sowohl an der höheren Effizienz als auch an dem sauberen Energieträger Erdgas im BHKW. Die NOx- und CO-Emissionen sind dagegen höher als bei der getrennten Erzeugung.

Bei dem Vergleich mit einem Gas-GuD-Kraftwerk mit höherem Wirkungsgrad und schadstoffarmem Erdgas als Brennstoff sinken die Vorteile des BHKW. Die CO2-Emissionen liegen mit ca. 20% unter denen der getrennten Erzeugung, was den energetischen Vorteil der BHKW-Variante widerspiegelt. Der Ausstoß des BHKW an SO2 hängt stark vom Brennstoff des Spitzenkessels ab und ist bei Heizöl wegen des höheren Schwefelgehaltes deutlich ungünstiger als bei Erdgas.

Abb. 4: Änderungen der Gesamtemissionen für den BHKW-Referenzfall "Krankenhaus" verglichen mit getrennter Erzeugung (Minuszeichen = Verminderung gegenüber getrennter Erzeugung)

Es zeigt sich, daß vor allem die Belastung durch den Schadstoff NOx beim Einsatz von Motor-BHKW's gegenüber getrennter Erzeugung deutlich zunimmt. Zur Einordnung der absoluten Mengen an zusätzlichen NOx ist jedoch ebenfalls die Menge an
NOx-Emissionen aus anderen Verbrennungsmotoren (Autos) zu beachten. So würden bei voller Ausschöpfung des strukturellen Potentials für BHKW in Baden-Württemberg (1547 MWe im Jahr 2010) die NOx-Emissionen der BHKW nur ca. 4% des heutigen NOx-Austoßes des gesamten Vehrsbereichs in Baden-Württemberg betragen [1].

Bei diesen Betrachtungen ist weiterhin zu beachten, daß der Brennstoff der Einzelheizung natürlich auch von großer Bedeutung für die Emissionen der getrennten Erzeugung ist. Wird für Einzelheizung und Spitzenkessel Heizöl anstatt Gas benutzt, so treten für das Beispiel im Fall des Kohlekraftwerks keine Mehrbelastungen an NOx durch das BHKW auf sondern im Gegenteil Emissionseinsparungen von 20% auf.

Durch dieses relativ einfache Beispiel wird bereits die Komplexität und die Problematik bei der Ermittlung von aussagekräftigen Emissionsvergleichen zwischen gekoppelter und getrennter Erzeugung deutlich. Dies gilt vor allem, wenn neben dem derzeit so aktuellen klimarelevanten Schadstoff CO2 auch noch andere Schadstoffe berücksichtigt werden sollen.

CO2-Vergleiche typischer kommunaler Versorgungsfälle

Analog zur Energieffizienz werden die Vorteile der KWK bezüglich der Emissionen durch Systemvergleiche einer Bandbreite typischer KWK-Einsatzfälle kommunaler Versorgungsaufgaben dargestellt. Wegen der prinzipiellen Schwierigkeiten der Bewertung verschiedener Schadstoffe untereinander erfolgt hier eine Beschränkung auf das Treibhausgas CO2.

In Tabelle 4 sind die CO2-Einsparungen der unterschiedlichen KWK-Versorgungsfälle gegenüber der ungekoppelten Erzeugung der jeweils gleichen Mengen von Strom und Wärme dargestellt. Hierbei sind die gleichen technischen Systeme wie bei der energetischen Bewertung betrachtet (vergl. Tab. 3). Bei allen KWK-Anlagen und Spitzenkesseln wird Erdgas als Brennstoff betrachtet. Ausnahme ist das Kohle-HKW, das jedoch auch einen Gas-Spitzenkessel hat. Bei der getrennten Erzeugung werden Gas- und Ölheizkessel und Kohle- bzw. Gas-Kraftwerke betrachtet.

Tab. 4: CO2-Einsparungen typischer KWK-Systeme (nach Tab. 3) verglichen mit Kondensationskraftwerk und Heizkessel (Minuszeichen = Mehremissionen der KWK-Variante)


KWK-Systeme
(mit Gas-Spitzenkessel)
Kohle-Kraftwerk 42 % Gas-GuD Kraftwerk 53%
Gas-Einzelheizung
    85%      98%
Öl-Einzelheizung
    85%       98%
Gas-Einzelheizung
    85%      98%
Öl-Einzelheizung
    85%       98%
KWK mit Gas
BHKW50-1200kWe
GT-HKW8 MWe
GuD-HKW50-300 MWe
40-45 %
36 %
48-52 %
35-40 %
32 %
46-51 %
45-52 %
45 %
53-56 %
43-39 %
40 %
50-54 %
10-20 %
8 %
15-20 %
3-12 %
0
10-15 %
26-34 %
25 %
29-30 %
20-28 %
18 %
23-26 %
Kohle DT-HKW 100-200 MWe
6 % 1 %
18 % 12 %
-40 %-50 %
-15 %-25 %
GT:Gasturbine     GuD:Gas- und Dampfturbine     DT:Dampfturbine     HKW:Heizkraftwerk

KWK-Systeme mit dem Brennstoff Erdgas mit der Bandbreite von kleineren BHKW, GT bis zu großen GuD-HKW haben gegenüber Kohlekraftwerk (42%) und Gaseinzelheizung (85%) etwa 40%-50% CO2-Einsparung. Verglichen mit Gas-GuD-Kraftwerk (53%) und Gaseinzelheizung (85%) ergeben sich etwa 10%-20% CO2-Einsparung. Dabei resultieren die Vorteile der KWK verglichen mit dem Kohlekraftwerk sowohl auf der höheren Effizienz als auch auf dem Einsatz des "sauberen" Brennstoffs Erdgas bei der KWK. Der Vergleich mit dem Gas-Kraftwerk spiegelt dagegen exakt die energetischen Vorteile der KWK wieder.

Große KWK-Systeme mit Kohle (100-200 MWe) haben gegenüber Kohlekraftwerk (42%) und Gaseinzelheizung (85%) nur etwa 5% CO2-Einsparung. Die deutlichen Effizienzvorteile werden also durch den höheren Gasanteil bei der getrennten Wärmeerzeugung kompensiert. Deutlich höher ist die CO2-Einsparung (10% - 20%), wenn gegen Öleinzelheizungen verglichen wird. Verglichen mit Gas-GuD-Kraftwerk (53%) und Gaseinzelheizung (85%) haben Kohle-HKW dagegen etwa 40% höhere CO2-Emissionen, was u.a. an dem deutlichen Emissionsnachteil des Brennstoffs Kohle liegt.

Wird anstelle des Niedertemperaturkessels ein Brennwertkessel (98%) eingesetzt, sinken die CO2-Vorteile der KWK-Systeme entsprechend. So ergeben sich bei ungünstigen KWK-Parametern (hoher Spitzenkesselanteil, merkliche Wärmeverteilungsverluste) bei derzeit üblicher BHKW-Technik keine CO2-Emissionsvorteile gegenüber der Einzelerzeugung mit GuD-Kraftwerk und Brennwerttechnik. Günstige BHKW-Anwendungen und auch Fernwärmeversorgung mit GuD-HKW bewirken dagegen eine CO2-Einsparungen von etwa 10%.

Ein Vergleich mit Öleinzelheizungen ist ebenfalls sinnvoll, da auch in gasversorgten Gebieten keine 100%-iger Gasanschluß erreicht wird oder etwa in Landgemeinden ohne Gasnetz Flüssiggas- oder Diesel-BHKW betrieben werden können. Hierbei steigen die CO2-Vorteile der KWK wegen der 30% höheren CO2-Emissionen des Heizöls entsprechend an.

5. Fazit

Bei Systemvergleichen zwischen Kraft-Wärme-Kopplung und getrennter Erzeugung werden immer wieder aus einzelnen, isolierten Vergleichen Schlußfolgerungen auf die energetischen und ökologischen Vorteile der KWK insgesamt gezogen. Dies ist wegen der vielfältigen Randbedingungen der KWK bezüglich der verschiedenen Technologien, der Einsatzfälle und der unterschiedlichen Brennstoffe nicht zulässig so daß die Aussagen immer nur vor dem Hintergrund der jeweiligen Vergleichssysteme zu sehen sind.

Einerseits haben die Auslegungsparameter wie der Energieanteil des Spitzenkessels, die Verteilungsverluste in Wärmenetzen, die eingesetzte Technologie und die Systemleistung große Einfluß auf die energetische Effizienz der KWK. Andererseits wird bei den Systemvergleichen die Effizienz ganz entscheidend von der Auswahl der Vergleichssysteme zur getrennten Erzeugung beeinflußt. Hier können unter verschiedenen Fragestellungen verschiedene Vergleichssysteme ausgewählt werden. Am sinnvollsten ist, das Spektrum zukünftiger Zubauvarianten von Kondensationskraftwerken und Einzelheizungen als Vergleichsmaßstab zu wählen, also einen entsprechenden Mix aus Kohle und Gaskraftwerken einerseits und den Mix aus Niedertemperatur- und Brennwertkesseln andererseits. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Neu- oder Ersatzbau von Energieanlagen vorausgesetzt wird um so zukünftige Investitionen im Energiebereich zu bewerten.

Die Vergleichssysteme wurden in dieser Untersuchung in ihrer ganzen technischen Spannweite betrachtet wodurch die maximalen und minimalen Einsparwerte ermittelt werden können. So ergeben sich Bandbreiten der Brennstoffeinsparung der KWK-Varianten von 20% bis 35% im oberen Grenzfall (Vergleich mit Kohlekraftwerk + Niedertemperaturkessel) und von 0-15% Einsparung im unteren Grenzfall (Vergleich mit GuD-Kraftwerk + Brennwertkessel). Vergleiche mit zukünftig tatsächlich installierten Systemen liegen also je nach Gewichtung der verschiedenen Technologien zwischen diesen Extremwerten.

Ähnlich ist bei den Emissionsvergleichen zu verfahren, wobei das Spektrum der verschiedenen Brennstoffe zu beachten ist. Durch die unterschiedlichen Brennstoffe und Brennstoffkombinationen sowohl bei der gekoppelten als auch bei der getrennten Erzeugung wird die Situation noch komplexer als bei den Effizienzvergleichen. Es müssen also neben der Bandbreite der Technologien auch die möglichen Zubauvarianten bezüglich der Brennstoffart - etwa Öl- und Gaseinzelheizungen - berücksichtigt werden.

Die dargestellten Einsparwerte gelten hauptsächlich für die Versorgung von Raumwärme und Warmwasser. Für die sehr heterogene industrielle Prozeßwärmeversorgung (etwa bezüglich Temperaturniveau) mit ihren erheblichen KWK-Potentialen sind für exakte Systemvergleiche einige Änderungen gegenüber den hier getroffenen Annahmen erforderlich. Günstig für die KWK ist hierbei etwa, daß Verteilungsverluste im Wärmenetz üblicherweise sowohl bei der gekoppelten als auch bei der ungekoppelten Versorgung entstehen. Andererseits ist zu berücksichtigen, daß bei der Wärmeauskopplung aus Dampfturbinen der elektrische Wirkungsgrad stärker abnimmt, wenn bei hoher Temperatur ausgekoppelt wird.

Abschließend soll betont werden, daß neben den Entwicklungen bei Kondensationskraftwerken und Heizkesseln auch bei KWK-Systemen technische Verbesserungen erfolgen. So profitieren sowohl die Kondensationskraftwerke als auch GuD-HKW von Entwicklungen im Bereich der Gasturbinentechnik. Weiterhin wird derzeit auch an neuen KWK-Technologien wie etwa dem Stirlingmotor-BHKW oder der Brennstoffzelle gearbeitet. Die Kraft-Wärme-Kopplung dürfte daher auch in Zukunft im "Wettstreit" der unterschiedlichen Systeme aus ökologischer Sicht "gute Karten" haben.


6. Literatur

[1] "Wirtschaftliches und ausschöpfbares Potential der Kraft-Wärme-Kopplung in Baden-Württemberg", Untersuchung im Auftrag des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg, Bearbeiter: DLR Stuttgart, ZSW Stuttgart, Ingenieurbüro Schuler Ludwigsburg, Ingenieurconsulting Mannheim-Heidelberg, Juni 1994

[2] Herstellerbefragung zu BHKW im Rahmen der KWK-Studie [1]

[3] VDI-GET-Informationsschrift: Gasturbinen in der Kraft-Wärme-Kopplung, 1993

[4] W. Suttor, Praxis Kraft-Wärme-Kopplung - Technik, Umfeld, Realisierung von KWK-Anlagen, Verlag C.F.Müller, Karlsruhe

[5] Bedeutung, Einsatzbereiche und technisch-ökonomische Entwicklungspotentiale von Wasserstoffnutzungstechniken, Bearbeiter: ZSW Stuttgart, DLR Stuttgart, LBST Ottobrunn, Januar 1992

[6] Mündliche Auskunft Fa. SOLO-Kleinmotoren GmbH, 1995


Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. (FH) Friedhelm Steinborn

E-Mail:

steinborn@bhkw-info.de


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Stand: 14/04/2002