Am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten zeigt sich, dass aufgrund einer Amortisationszeit im günstigsten Fall von etwa zwei Jahren der Einsatz von Blockheizkraftwerken in jedem Fall wirtschaftlich lohnenswert ist. Dabei wird deutlich, dass die Auslegung des Blockheizkraftwerks stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Das gute wirtschaftliche Ergebnis gilt bereits für den standardmäßig eingesetzten wärmegeführten Betrieb des Blockheizkraftwerks, wobei eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass Blockheizkraftwerke auf einen längerfristigen Betrieb ausgelegt sind. Bei jährlichen Betriebszeiten von 4000 Stunden bis 8000 Stunden ergibt sich ein Betrieb des Blockheizkraftwerks über sechs bis zwölf Jahre.
1 Einleitung
Im Rahmen des Projekts GalvanoFlex_BW beschäftigt sich das Reutlinger Energiezentrum (REZ) der Hochschule Reutlingen mit Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken (BHKW) in Industriebetrieben im Allgemeinen, wobei der Einsatz von BHKW in der Galvanikbranche im Vordergrund steht.
Zu diesem Zweck wird ein eigens entwickeltes, auf Matlab-Simulink basierendes Simulationsmodell genutzt, mit dem der Betrieb von Blockheizkraftwerken auf Basis der jeweiligen Strom- und Wärmelastprofile in hoher zeitlicher Auflösung über ein komplettes Jahr berechnet werden kann. Das Stromlastprofil kann dabei zumeist aus der registrierenden Leistungsmessung (RLM) des Energieversorgers in ¼-Stundenauflösung entnommen werden. Die Vorgabe des Wärmelastprofils gestaltet sich dagegen schwieriger, da häufig keine entsprechenden Messwerte vorliegen. In diesem Fall muss auf Standardlastprofile ausgewichen werden, die beispielsweise beim BDEW für verschiedene Branchen verfügbar sind [1].
Im Zuge des Forschungsprojekts konnte der Wärmebedarf in einem Galvanikbetrieb über den Zeitraum von zwei Wochen in hoher Auflösung gemessen werden, und aus diesen Daten ist unter Berücksichtigung der jahreszeitlichen Schwankung der Außentemperatur ein Jahreswärmelastprofil erstellt worden, das den nachfolgend dargestellten Wirtschaftlichkeitsrechnungen zugrunde liegt.
Das zuvor erwähnte Simulationsmodell bietet außerdem die Möglichkeit, den Betrieb eines Blockheizkraftwerks nicht nur wärmegeführt zu berechnen, sondern auch stromoptimiert unter spezieller Berücksichtigung der Deckung von elektrischen Lastspitzen. Zu diesem Zweck wird der in einer Blockheizkraftwerk-Anlage ohnehin erforderliche Wärmespeicher gezielt genutzt, um die Betriebszeit des Blockheizkraftwerks in die Phasen zu verschieben, in denen hoher Strombedarf im Unternehmen oder gar eine elektrische Lastspitze vorliegen. So kann sowohl die vom Blockheizkraftwerk erzeugte Wärme nach wie vor vollständig genutzt als auch der externe Strombezug sowie die jährliche Leistungsspitze gesenkt werden. Letzteres erhöht die Wirtschaftlichkeit gegenüber dem wärmegeführten Betrieb, der derzeit mangels geeigneter intelligenter Steuerungsalgorithmen noch den Standardbetriebsfall für Blockheizkraftwerke darstellt.
2 Methodik
Wie eingangs erwähnt, werden mit Hilfe des Simulationsmodells Berechnungen zum Betrieb eines Blockheizkraftwerks in einem Industriebetrieb über ein komplettes Jahr durchgeführt. Dieser Betrachtungszeitraum ist erforderlich, um die jahreszeitlichen Schwankungen des Wärmebedarfs zur Raumheizung adäquat zu erfassen. Aus der Simulation ergeben sich die jährliche Anzahl Betriebsstunden für das Blockheizkraftwerk sowie die von ihm erzeugten Mengen an elektrischem Strom und Wärme. Aufgrund der zeitaufgelösten Berechnung kann zudem angegeben werden, welche Menge an erzeugtem Strom aufgrund der Gleichzeitigkeit mit dem Verbrauch direkt im Unternehmen verwendet werden kann. Zudem ergibt sich auf diese Weise die verbleibende Spitze der elektrischen Bezugsleistung. Beide Informationen sind wichtig für die nachgelagerte Wirtschaftlichkeitsberechnung des Blockheizkraftwerks, und es ist offensichtlich, dass eine genaue Angabe dieser Werte nur mit Hilfe einer zeitaufgelösten Berechnung möglich ist. Einfache, pauschale Berechnungsmethoden sind dafür nicht geeignet.
Wie angedeutet, erfolgt die Berechnung der Wirtschaftlichkeit nachgelagert, in dem die jeweiligen Energiemengen mit den zugehörigen Tarifen verrechnet werden. Als Vergleichsmaßstab dient der Ausgangszustand, nach dem der benötigte elektrische Strom aus dem Netz bezogen wird und die benötigte Wärme mit Hilfe von Gasbrennern beziehungsweise -kesseln bereitgestellt wird. Dabei werden ein durchschnittlicher Industriestrompreis von 18,44 ct/kWhel (nach BDEW für 2019 [2]) sowie ein Leistungspreis von 97,7 €/kWel zugrunde gelegt. Der Tarif für das bezogene Erdgas wird auf einen Preis von 2,82 ct/kWh(Hs) (aus statista für Industriebetriebe 2019 [3]) festgelegt.
Die Vergütungen für den vom Blockheizkraftwerk erzeugten Strom werden nach dem aktuellen KWK-Gesetz geregelt. Demnach erhält man für den selbstverbrauchten Strom aus einem Blockheizkraftwerk einen sogenannten KWK-Zuschlag. Dieser beträgt 4 ct/kWhel für Blockheizkraftwerke unterhalb 50 kW elektrischer Leistung. Für die Leistung zwischen 50 und 100 kWel beträgt der Zuschlag 3 ct/kWhel, und für Anlagen oberhalb von 100 kW elektrischer Leistung entfällt der Zuschlag. Zudem müssen für den selbstverbrauchten Strom 40 % der EEG-Umlage abgeführt werden, sofern das Blockheizkraftwerk vom Unternehmen betrieben wird. Erfolgt der Betrieb im Contracting, fällt die EEG-Umlage komplett an. Für Strom aus einem Blockheizkraftwerk, der in das Netz der öffentlichen Versorgung eingespeist wird, wird ebenfalls ein KWK-Zuschlag gezahlt, der doppelt so hoch ist wie im Falle von selbstverbrauchtem Strom und der auch für Blockheizkraftwerke oberhalb einer Leistung von 100 kWel anfällt, allerdings in mit der Leistung abnehmender Höhe. Zusätzlich wird der eingespeiste Strom mit dem sogenannten üblichen Preis vergütet, der quartalsweise an der Strombörse festgelegt wird und aktuell 3,58 ct/kWhel beträgt. Außerdem wird das vermiedene Netzentgelt erstattet; dieser Betrag ist allerdings gering und liegt im Bereich von etwa 0,5 ct/kWhel. Für den Brennstoff, der in Blockheizkraftwerken umgesetzt wird, entfällt zudem anteilig die Energiesteuer. Für Erdgas beträgt die sogenannte Energiesteuerrückerstattung bei teilweiser Entlastung 0,442 ct/kWh(Hs).
Die Wartungskosten für das Blockheizkraftwerk und die Investitionskosten sind aus den Kenndaten für Blockheizkraftwerke 2014/2015 der ASUE [4] entnommen. Dort sind Regressionsgleichungen in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Blockheizkraftwerks gegeben, die hier zusätzlich mit einer Teuerungsrate von 2 % p. a. von 2014 auf 2019 hochgerechnet wurden. Für eine Anlage mit 50 kW elektrischer Leistung ergeben sich danach beispielsweise Investitionskosten von 68 351 Euro für das Blockheizkraftwerk sowie 30 758 Euro (hier 45 % der Kosten des Blockheizkraftwerks) für Transport, Installation und Inbetriebnahme. Die Wartungskosten liegen bei 2,29 ct/kWhel. Bei einem Blockheizkraftwerk mit 200 kW elektrischer Leistung fallen Investitionskosten in Höhe von 167 836 Euro zuzüglich 85 596 Euro für Installation etc. sowie Wartungskosten von 1,55 ct/kWhel an. Die Investitionskosten für den Pufferspeicher, als weitere wichtige Komponente der Anlage, sind aus einem Datenpool von verschiedenen Herstellern ermittelt worden.
Zum Pufferspeicher ist zu sagen, dass diese Komponente nicht nur zur Vermeidung des Taktbetriebs des Blockheizkraftwerks dient, wie noch überwiegend angenommen wird. Der Pufferspeicher erfüllt darüber hinaus wichtige Funktionen in der kurzzeitigen Bereitstellung thermischer Spitzenlast, was hilft, um den Betrieb des Zusatzkessels zurückzudrängen, sowie in der Flexibilisierung des Betriebs eines Blockheizkraftwerks. Aus diesen Gründen sollte der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden.
3 Ergebnisse
Zunächst wird ein Unternehmen aus der Galvanikbranche mit einem jährlichen Strombedarf von 500 MWh und einem jährlichen Wärmebedarf von 1200 MWh betrachtet (Unternehmen 1). Dieses Verhältnis von Strom- zu Wärmebedarf passt gut zum Verhältnis der Strom- und Wärmeerzeugung in einem Blockheizkraftwerk, das bei kleineren Anlagen bei etwa 1:2 liegt und zu größeren hin bis auf etwa 1:1 ansteigt. Die elektrische Leistungsspitze des Unternehmens liegt bei 101,6 kW.
Für dieses Unternehmen sind Blockheizkraftwerke verschiedener Größe berechnet worden, konkret wurden Anlagen mit elektrischen Leistungen von 30 kW, 50 kW, 100 kW, 150 kW und 250 kW betrachtet; in Abbildung 1 ist zu erkennen, dass die kleinen Blockheizkraftwerke mit etwa 8000 Betriebsstunden pro Jahr nahezu durchgängig laufen, aber den Wärmebedarf nur knapp zur Hälfte decken. Bei der größten Anlage mit 250 kWel ist die Wärmedeckung dagegen zu nahezu 100 % möglich bei einer jährlichen Betriebsstundenzahl von etwa 4000. Interessant ist der Verlauf der Stromdeckung, die für Blockheizkraftwerke zwischen 50 kWel und 100 kWel maximal wird, das heißt, in diesem Bereich kann der höchste Anteil des Strombedarfs im Unternehmen durch das Blockheizkraftwerk gedeckt werden, hier bis zu etwa 75 %. Somit sollte das Blockheizkraftwerk mit der besten Wirtschaftlichkeit in diesem Bereich liegen.
Abb. 1: Betriebsstunden, Wärme- und Stromdeckungsgrad für Blockheizkraftwerke unterschiedlicher Leistung (Unternehmen 1)
Abb. 2: Amortisationszeiten für Blockheizkraftwerke unterschiedlicher Leistung (Unternehmen 1)
Diese Annahme wird durch Abbildung 2 bestätigt, in der die Amortisationszeiten aufgetragen sind, die sich mit Hilfe der Annuitätengleichung mit einem Zinssatz von 2 % und den oben gegebenen Randbedingungen zur Wirtschaftlichkeitsrechnung ergeben. Es ist zu erkennen, dass sich das Blockheizkraftwerk mit 50 kWel mit einer Amortisationszeit von zwei Jahren am besten darstellt, gefolgt von den Anlagen mit 30 kWel und 100 kWel, die sich zwischen 2,3 und 2,5 Jahren amortisieren. Dies belegt, dass der Einsatz eines Blockheizkraftwerks in dem betrachteten Unternehmen wirtschaftlich überaus lukrativ ist.
Der Vergleich der verschiedenen Betriebsweisen zeigt, dass die Unterschiede gering sind. Dennoch, mit Ausnahme der Anlage mit 30 kWel führen der stromoptimierte Betrieb ohne und insbesondere mit Lastspitzenmanagement wie erwartet zu einer weiteren, wenn auch hier geringen, Absenkung der Amortisationszeit. Ursache dafür ist der relativ gleichmäßige Stromverbrauch in dem betrachteten Unternehmen, was sich unter anderem dadurch zeigt, dass sich die elektrische Lastspitze bei Betrieb des Blockheizkraftwerks mit einer Leistung von 50 kWel mit Lastspitzenmanagement nur von 101,6 kW auf 83 kW absenken lässt, obwohl die Anlage nahezu 8000 Stunden im Jahr läuft. Die höhere Amortisationszeit beim Blockheizkraftwerk mit 30 kWel im rein stromoptimierten Betrieb ist durch eine geringere Laufzeit des Blockheizkraftwerks im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb zu erklären, die in der Sommerzeit bei geringerem Wärmebedarf entsteht, wenn die Anlagen mit geringerer thermischer Leistung auf die Eigenstromdeckung ausgerichtet sind.
Um das Potenzial des stromoptimierten Betriebs eines Blockheizkraftwerks insbesondere mit Lastspitzenmanagement aufzuzeigen, sei im Folgenden auf die Ergebnisse für ein zweites Unternehmen verwiesen (Unternehmen 2), das im Unterschied zu Unternehmen 1 einen erheblich höheren Strombedarf im Vergleich zum Wärmebedarf besitzt und zudem eine elektrische Lastgangkurve mit ausgeprägter Lastspitze aufweist. Konkret beträgt der jährliche Strombedarf in diesem Unternehmen 1850 MWh bei einer elektrischen Leistungsspitze von 740 kW; der jährliche Wärmebedarf liegt bei lediglich 400 MWh.
Bedingt durch das quasi umgekehrte Verhältnis von Strombedarf zu Wärmebedarf im Vergleich zu Unternehmen 1 ergibt sich hier eine andere Auslegung für das Blockheizkraftwerk. Während der geringere Wärmebedarf die Leistungsgröße der Anlage einerseits begrenzt, bietet der höhere Strombedarf andererseits die Gelegenheit, die Leistung des Blockheizkraftwerks zu erhöhen, da eine größere Menge des erzeugten Stroms direkt im Unternehmen genutzt werden kann; dies ist wirtschaftlich sinnvoller, als den erzeugten Strom in das Netz der öffentlichen Versorgung einzuspeisen. Vor diesem Hintergrund stellt sich für Unternehmen 2 ein Blockheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 70 kW als die wirtschaftlichste Variante heraus. Im Unterschied zu Unternehmen 1 erreicht das Blockheizkraftwerk aufgrund der mit Blick auf den Jahreswärmebedarf höheren Leistung eine jährliche Betriebszeit von nur etwa 3500 Stunden.
Dass bei dieser geringeren jährlichen Betriebszeit dennoch ein wirtschaftlicher Betrieb des Blockheizkraftwerks möglich ist, zeigt Abbildung 3. Hier sind die Amortisationszeiten für das gewählte Blockheizkraftwerk mit 70 kW elektrischer Leistung aufgetragen, und es ist zu erkennen, dass sich die Anlage zwischen 2,1 und 2,6 Jahren amortisiert. Die Darstellung über der Größe des Pufferspeichervolumens bestätigt die eingangs aufgestellte These, dass der Pufferspeicher nicht zu klein ausgelegt werden sollte, wenn die maximale Wirtschaftlichkeit des Blockheizkraftwerks erreicht werden soll. Abbildung 3 zeigt, dass die Erhöhung des Pufferspeichervolumens ab einer gewissen Größe keine oder nur noch geringe Verbesserungen bewirkt. Diese Abhängigkeit gilt allgemein, und im vorliegenden Fall wäre ein Pufferspeicher mit einem Volumen von 5 m3 ausreichend.
Abb. 3: Amortisationszeiten für ein Blockheizkraftwerk mit 70 kWel und mit Pufferspeichern unterschiedlicher Größe (Unternehmen 2)
Beim Vergleich der unterschiedlichen Betriebsarten fällt auf, dass der stromoptimierte Betrieb insbesondere bei kleinen Pufferspeichern am unwirtschaftlichsten ist. Ursache ist wiederum die durch den Sommerbetrieb verursachte geringere Laufzeit des Blockheizkraftwerks gegenüber dem wärmegeführten Betrieb, wie zuvor ausgeführt. Der Pufferspeicher wirkt dabei ausgleichend, so dass der Effekt mit steigendem Volumen des Pufferspeichers kleiner wird. Deutlich erkennbar ist aber nun der Vorteil des Lastspitzenmanagements. Durch den gezielten Betrieb des Blockheizkraftwerks zu den Zeiten der elektrischen Leistungsspitzen ergibt sich bei ausreichend großem Pufferspeicher (hier mindestens 5 m3) eine Absenkung der Amortisationszeit um etwa 0,2 Jahre, was einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von knapp 10 % entspricht.
4 Fazit
Am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten konnte aufgezeigt werden, dass der Einsatz von Blockheizkraftwerken in jedem Fall wirtschaftlich lohnenswert ist. Die berechnete Amortisationszeit lag in günstigsten Fall jeweils bei etwa zwei Jahren. Darüber hinaus ist deutlich geworden, dass die Auslegung des Blockheizkraftwerks stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte.
Aus diesen Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass der Einsatz von Blockheizkraftwerken in Industriebetrieben in vielen Fällen wirtschaftlich ist und deshalb angedacht werden sollte. Dies gilt bereits für den standardmäßig eingesetzten wärmegeführten Betrieb des Blockheizkraftwerks, wobei eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert.
Zur Verstärkung dieser These sei darauf verwiesen, dass Blockheizkraftwerke auf einen längerfristigen Betrieb ausgelegt sind. Das bedeutet, dass bis zu einer Generalüberholung, die nach etwa 50 000 Betriebsstunden fällig ist, neben den bereits einkalkulierten Wartungskosten im Normalfall keine weiteren Instandhaltungskosten anfallen. Bei jährlichen Betriebszeiten von 4000 Stunden bis 8000 Stunden ergibt sich somit ein Betrieb des Blockheizkraftwerkes über sechs bis zwölf Jahre. Wenn die Anlage dabei bereits nach zwei Jahren amortisiert ist, stehen den Kosteneinsparungen gegenüber dem konventionellen Strombezug und dem Betrieb von Heizkesseln in den Folgejahren keine Kapitalkosten mehr entgegen. Wird auf dieser Grundlage die Wirtschaftlichkeit eines Blockheizkraftwerks in den betrachteten Unternehmen über die gesamte Betriebszeit nach der Methode des internen Zinsfußes berechnet, so ergeben sich Werte zwischen 20 % und 30 %, was den lohnenswerten Einsatz entsprechender Anlagen in Industrieunternehmen nochmals eindrucksvoll herausstellt.
Literatur
[1] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (BDEW), https://www.bdew.de/energie/standardlastprofile-gas/
[2] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (BDEW): BDEW Strompreisanalyse Juli 2019 - Haushalte und Industrie; Berlin, 23.7.2019
[3] https://de.statista.com/statistik/daten/studie/168528/umfrage/gaspreise-fuer-gewerbe--und-industriekunden-seit-2006/
[4] Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V. (ASUE): BHKW-Kenndaten 2014/2015; Berlin, 2014, www.asue.de
Kontakt
Reutlinger Energiezentrum (REZ) – Hochschule Reutlingen, Prof. Dr. Bernd Thomas, M.Sc. Tobias Müller, Alteburgstraße 150, D-72762 Reutlingen; Tel. +49 7121 271 7041; E-Mail: bernd.thomas@reutlingen-university.de, tobias.mueller@reutlingen-university.de
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