Umweltschutz und Energieeffizienz durch Einsatz von Mikro-Blockheizkraftwerke (BHKWs) und Mini-Kraft-Wärme-Kopplungen (KWKs)

Zielsetzung

Angesichts wachsender Umwelt- und Klimaschutzerfordernisse steigen auch die Anforderungen, die verfügbare Energie so effizient und umweltschonend wie möglich zu nutzen. Um dieses Ziel zu erreichen, legt die Österreichische Energieagentur einen Fokus auf den Einsatz von Mikro-BHKW- und Mini-KWK-Anlagen.

Untersuchungen identifizierten explizite Vorteile von Mikro- und Mini-KWK-Anlagen in einem breiten Anwendungsspektrum. Auf Basis dieser Erkenntnisse versucht die Österreichische Energieagentur, Impulse für die weitere Implementierung derartiger Anlagen in Österreich zu setzen. Die Österreichische Energieagentur informiert dabei die politischen Entscheidungsträger über den aktuellen Stand dieses Technologiefelds, um einerseits Entscheidungshilfe, andererseits Orientierung für zukünftige Prioritätensetzungen in der Energie-, Umwelt- und FTE-Politik zu geben.

Auf Grundlage der in diesem Themenbereich gesammelten Erfahrungen bietet die Österreichische Energieagentur techno-ökonomische Analysen als Entscheidungshilfe für den Einsatz von Mikro-BHKW-Anlagen in Wohn- und Dienstleistungsgebäuden sowie im gewerblichen Sektor an, um die Implementierung der Mikro-KWK-Technologie bestmöglich zu unterstützen.

Mikro-BHKWs

Für Mikro-BHKWs gibt es unterschiedliche Definitionen. In der europäischen KWK-Richtlinie werden Anlagen mit einem elektrischen Output kleiner 50 [kW] als KWK-Kleinstanlagen bezeichnet.

Mikro-BHKWs sind kleine, kompakte KWK-Anlagen, die gleichzeitig Strom und Wärme bei einem sehr hohen Wirkungsgrad bereitstellen. Vereinfacht werden diese Anlagen auch als Heizanlagen, die als Nebenprodukt Strom erzeugen, bezeichnet. Entsprechende Strom- und Heizlasten vorausgesetzt, können durch Mikro-BHKWs die Betriebskosten von Gebäuden reduziert und der Ausstoß von CO2-Emissionen vermindert werden.

Entscheidende Vorteile von Mikro-BHKW-Anlagen sind die einfache Installation und die hohe Flexibilität in der Anwendung. Die Anlagen werden meist schlüsselfertig in einer kompakten Form und mit einer geräuschdämmenden Ummantelung geliefert. Zur Inbetriebnahme der Anlage werden nur Wasser-, Strom- und Brennstoffeinbindungen benötigt. Die Analysen der Österreichischen Energieagentur inkludieren das gesamte Technologie-Portfolio wie Motoren, Turbinen, Brennstoffzellen, basierend sowohl auf fossilen als auch auf erneuerbaren Energieträgern.

Bis heute wurden eine Vielzahl von Umwandlungstechnologien für den Einsatz in Mikro-BHKWs entwickelt und getestet. Derzeit zählt der Hubkolbenmotor zu den am häufigsten am Markt eingesetzten Technologien. Stirling Motoren, ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) und Mikrogasturbinen stehen vor der Marktreife. Zahlreiche Demo-Anlagen sind bereits in Betrieb.

Bis dato werden hauptsächlich fossile Brennstoffe (Erdgas, Heizöl, Flüssiggas) für den Betrieb von Mikro-BHKW-Anlagen eingesetzt. Dennoch konnte man in den letzten Jahren einen Trend hin zu erneuerbaren Energieträgern (Rapsöl, Biodiesel) beobachten. Besonders in ökologisch sensiblen Gebieten punkten diese Energieträger mit ihren Vorteilen: exzellente biologische Abbaubarkeit und geringe Toxizität. Auch können durch den Einsatz Erneuerbarer hohe Wirkungsgrade erreicht und direkte CO2-Emissionen verhindert werden, was eine nachhaltige Energieversorgung auszeichnet. Daher kommen in etlichen alpinen Schutzhütten bereits mit Rapsöl und Biodiesel betriebene Mikro-BHKW-Systeme zum Einsatz.

Aktivitäten der Österreichischen Energieagentur

Im Rahmen des Themenschwerpunkts Mikro-BHKW und Mini-KWK untersucht die Österreichische Energieagentur die Technologien, die Rahmenbedingungen, die Kosten und die Wirtschaftlichkeit bzw. die Finanzierungsinstrumente von Anlagen. Weiters wurden Planungskriterien und Emissionsvergleiche mit konventionellen Heizkesseln in Kombination mit verschiedenen Referenzkraftwerken bzw. Kraftwerksparks durchgeführt. Auf der Skizzierung von Qualitätskriterien, die einen technisch-wirtschaftlich optimalen Betrieb gewährleisten, lag ebenfalls ein besonderes Augenmerk. Marktanalysen komplettieren das Aktivitätsspektrum der Österreichischen Energieagentur in diesem Technologiesegment.

Folgende Projekte mit dem Fokus auf Mikro-BHKW- und Mini-KWK-Anlagen führte die Österreichische Energieagentur bis dato durch:

Green Lodges – Erhöhung der Energieeffizienz und Forcierung von erneuerbaren Energieträgern und Mikro-KWK in Tourismus-/Freizeiteinrichtungen, alpinen Hütten, Herbergen und ähnlichen Unterkünften im ländlichen Gebiet
DECENT 4 – Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten und Stand der Technik von stationären Brennstoffzellen- und Mikroturbinen für den Einsatz in BHKW-Einheiten in der Größe von 25 bis 100 kWel., Projekt beauftragt von der ESTAG/STEWAG, 2002
BHKW – Analyse des Marktpotenzials für BHKW-Anlagen in einem Leistungsbereich von 75 kW in Österreich, beauftragt von der ATEL, Mai 2001
OPET CHP - Forcierung der KWK in Österreich mit den Schwerpunkten Mikro-/Mini-KWK und Biomasse-KWK (EU-Projekt, 2004)
AMONCO – Verbreitung von FTE-Ergebnissen im Themenbereich Biogas und Brennstoffzelle (EU-Projekt, 2003)
Identifikation des Potenzials und der Chancen der Brennstoffzellen-Technologie für die österreichische FTE-Landschaft und Stimulierung der Brennstoffzellen-FTE-Aktivitäten in Österreich, Auftrag für das BMVIT, 2002
SOFCnet – Thematisches Netzwerk für oxidkeramische Brennstoffzellen (EU-Projekt, 2005)

Techno-ökonomische Analysen für den Einsatz von Mikro-BHKW-Anlagen

Auf Basis der gesammelten Erfahrungen im Bereich Mikro- und Mini-KWK bietet die Österreichische Energieagentur techno-ökonomische Analysen für die Auslegung von Mikro-BHKW-Anlagen in Wohn- und Dienstleistungsgebäuden an, um eine sinnvolle Implementierung der Mikro-KWK-Technologie zu unterstützen.

Für die energetischen Berechnungen wird das Software-Tool "BHKW Plan" herangezogen, mit dem ein BHKW-System und eine konventionelle Heizung miteinander verglichen werden können. Dieses Programm ermöglicht eine dynamische Simulation der Strom- und Wärmebedarfsdaten des zu untersuchenden Gebäudes und der Betriebsdaten der Erzeugungsanlagen. Um eine Analyse durchführen zu können, sind charakteristische Mindestangaben zum Objekt, wie beispielsweise

Baujahr
Gebäude- und Fensterflächen
Warmwasserbedarf
Brennstoffverbrauch
Stromverbrauch
Verwendeter Heizkessel

notwendig. Im nächsten Schritt kann durch Auswahl entsprechender Erzeugungsanlagen der Abgleich mit den stündlichen Bedarfswerten simuliert werden. Die daraus gewonnenen Ergebnisse fließen anschließend in die wirtschaftliche Bewertung des Blockheizkraftwerks und des alternativ gewählten Vergleichssystems ein. Als Kennzahlen werden in der ökonomischen Analyse die jährlichen Wärmeerzeugungskosten mit Hilfe einer Annuitätenrechnung basierend auf der VDI-Richtlinie 2067 und die dynamische Amortisationsdauer ausgewiesen.

Diese techno-ökonomische Analysen können als erste Entscheidungsgrundlage für den Einsatz von Mikro-BHKW-Anlagen herangezogen werden. Die Analysen ersetzen jedoch die Detailplanung der Installationsfirmen nicht, und die ausgewiesene ökonomische Rentabilität der Mikro-BHKW-Anlage hängt sehr stark vom gewählten Alternativsystem sowie von den in Betracht gezogenen Strom- und Brennstoffpreisen ab. Im Besonderen ist auf die ökonomischen Barrieren und Rahmenbedingungen für den Einsatz von Mikro-BHKW-Anlagen zu verweisen, die im Report "Micro CHP systems, state-of-the-art" zusammengefasst dargestellt wurden und als Download zur Verfügung stehen.

Als Beispiel für Inhalt und Umfang der angebotenen techno-ökonomischen Analysen ist auf die im Rahmen des EU-Projektes "Green Lodges" durchgeführten Case Studies in Österreich sowie in Belgien, Frankreich, Italien, Griechenland, Spanien und Portugal zu verweisen. Die nationalen Case Studies untersuchen Mikro-BHKW-Anlagen, die in unterschiedlichen Gebäudekategorien und in verschiedenen Betriebsweisen (Wärme- und Stromgeführt) installiert wurden.