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Hoher Wirkungsgrad und niedriger Emissionsfaktor
Seit über zehn Jahren beschäftigt sich der Autor mit der Implementierung von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Anlagen) bei Getränkeherstellern. In diesen Jahren haben sich die regulatorischen Rahmenbedingungen mehrfach und teils grundlegend geändert.
Rückblick
Seit den 1990er-Jahren sind insbesondere Blockheizkraftwerke (BHKW) mit der kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung in der Brau- und Getränkebranche bekannt. Anlagenwirkungsgrade bis nahe 100 Prozent machen die Technologie attraktiv. Die Abwärmenutzung als Warmwasser ist dabei die einfachste Art der Wärmeauskopplung. Ebenso wurde aber auch die separate Auskopplung der Abgasenergie zur Erzeugung von Sattdampf in Abhitzekesseln umgesetzt.
Seit 2003 regelt das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-G) eine Förderung für Betreiber. Manche Anlagen waren durch diese Fördergelder hochlukrativ. Änderungen bei den verschiedenen Abgaben und Zuschüssen haben mit der Zeit die Wirtschaftlichkeit vor allem großer industrieller Anlagen Stück für Stück sinken lassen.
Die Gemengelage von niedrigen Strompreisen, kompletter Berechnung der EEG-Umlage und aufkommenden CO2-Abgaben führte schließlich seit 2020 dazu, dass gut laufende Anlagen in Getränkebetrieben nicht mehr wirtschaftlich zu betreiben waren. Die aktuell steigenden Energiepreise machen nun den Betrieb insbesondere größerer KWK-Anlage wieder sinnvoll.
Aktuelle Rahmenbedingungen in Deutschland
Für den Betrieb von Anlagen gilt das KWK-Gesetz 2020. Danach erhalten Betreiber von Anlagen bis 100 kW elektrischer Leistung KWK-Zuschläge sowohl für den Eigenverbrauch als auch für Einspeisung. Größere Anlagen erhalten diese Zuschläge nur für eingespeisten Strom. Die EEG-Abgabe schlägt für Anlagen bis 1000 kW elektrischer Leistung mit 40 Prozent zu Buche, für größere Anlagen greift das sogenannte Claw-Back-Modell, nach dem die Abgabe in Abhängigkeit der Benutzungsstunden auf 100 Prozent steigt.
Bestimmte Branchen wie die Hersteller von Frucht- und Gemüsesäften können sich von der EEG-Umlage auf eigenerzeugten Strom befreien lassen. Die EEG-Abgabe verliert in der Betrachtung allerdings an Bedeutung, weil sie nach den Planungen der neuen Koalition 2023 abgeschafft werden soll. Im Gegenzug wird die CO2-Abgabe für den Brennstoff kontinuierlich steigen, von derzeit 30 EUR/t (2022) auf mindestens 55 EUR/t (2025). Ein weiterer Anstieg wurde im aktuellen Koalitionsvertrag „aus sozialen Gründen“ ausgesetzt – mittelfristig sollte man aber damit rechnen. Strom- und Energiesteuer werden für KWK-Anlagen fällig, die Energiesteuer auf den eingesetzten Brennstoff können sich Betreiber auf Antrag und unter bestimmten Bedingungen zurückerstatten lassen.
Bis Strom aus erneuerbaren Energiequellen in ausreichender Menge zur Verfügung steht, bieten KWK-Anlagen Emissionsfaktoren, die deutlich unter dem aktuellen deutschen Strommix liegenEinordnung für die Brau- und Getränkewirtschaft
Unternehmen betreiben oder planen KWK-Anlagen in aller Regel nicht aus reinem Idealismus, sondern versuchen die notwendige thermische und elektrische Energie zu möglichst günstigen Kosten bereitzustellen. Der hohe Ausnutzungsgrad des eingesetzten Brennstoffs spricht grundsätzlich für den Einsatz dieser Technik. Abgaben und Zuschüsse aus regulatorischen Eingriffen sorgen aufgrund häufiger Änderungen leider für keine gute Sicherheit bei den Investitionsentscheidungen.
KWK-Anlagen funktionieren zurzeit noch durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern. Das hört sich zunächst einmal unter Umweltaspekten nicht gut an. Man kann aber zeigen, dass die CO2-Emission von KWK-Strom aus Erdgas bei Nutzung der entstehenden Wärme deutlich unter jenem Wert des aktuellen Strommix liegt (Werte sind einer aktuellen Projektierung entnommen): Bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 44,0 Prozent und einem thermischen Wirkungsgrad von 44,4 Prozent ergeben sich 11,6 Prozent Anlagenverluste über die Abstrahlung von Motoren, Rohrleitungen oder mit dem Abgas. Teilt man die Emission des eingesetzten Brennstoffs anteilsmäßig auf die (erzeugte) elektrische und thermische Arbeit, so ergibt sich für den eigenerzeugten Strom ein Emissionsfaktor von 0,227 t CO2/MWh. Dieser Wert liegt unter dem Emissionsfaktor des aktuellen deutschen Strommix (2020) in Höhe von 0,366 t CO2/MWh.
Projekte aus der Praxis
In puncto Emissionen können KWK-Anlagen also aktuell zur Verbesserung der CO2-Bilanz beitragen. Ob die Anlagen auch mit einer guten Wirtschaftlichkeit betrieben werden können, hängt stark vom Investitionsbedarf ab und hier besonders von den Investitionskosten für die Nutzung der Wärmeenergie. Die Berechnung muss im Einzelfall erfolgen. Im Folgenden werden drei Anlagen aus den Planungen der Ingenieurbüro Hebmüller GmbH vorgestellt, um die Bandbreite möglicher Wärmenutzungen zu zeigen.
BHKW mit Abhitzekessel und Nutzung für Flaschenwaschmaschinen
Dieses Projekt wurde bei einem großen deutschen Mineralbrunnen realisiert. Aufgestellt wurde ein BHKW mit 1282 kW elektrischer Leistung. Die Wärme wird getrennt für Abgase und Motor ausgekoppelt. Die Abgasabwärme (nominell 699 kW, Temperatur > 400 °C) wird auf einen Abhitzekessel geführt, welcher Sattdampf mit einem Druck von 1 bar(Ü) erzeugt und zur Grundlastabdeckung im Werk beiträgt.
Die Motorabwärme beheizt über einen Wärmespeicher die Reinigungslauge von insgesamt fünf Flaschenreinigungsmaschinen. Eine solche Anwendung wird dann möglich, wenn niedrige Laugetemperaturen in den Waschmaschinen niedrige Rücklauftemperaturen im Heizkreislauf und damit eine ausreichende Kühlwirkung für den Motor gewährleisten.
Die Anlage läuft seit 2016 mit einem Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent. Eine weitere Steigerung wäre möglich, wenn das Abgas vor dem Kamin mittels Brennwertwärmetauscher weiter abgekühlt wird.
Gasturbine zur Verbrennungsluftvorerwärmung
Das zweite Projekt zeigt eine prinzipiell andere Wärmenutzung durch Verbindung der KWK-Anlage mit einem Dampfkessel. Die Stromerzeugung erfolgt nicht durch einen Gasmotor, sondern mittels Gasturbine, deren Abgas mit einer Temperatur von etwa 300 °C und einem Restsauerstoffgehalt von 17,5 Prozent dem Brenner des vorhandenen Dampfkessels als Verbrennungsluft zugeführt wird. Die vorerwärmte Verbrennungsluft reduziert den Brennstoffbedarf des Kesselbrenners. Bei dieser Umsetzung ist ein spezieller Kesselbrenner notwendig.
Das Projekt wurde bei der Pott‘s Brauerei in Oelde umgesetzt und als BHKW des Monats (Juli 2018) vom BHKW-Infozentrum ausgezeichnet.
BHKW mit Abhitzekessel und Nutzung der Motorabwärme
Dieses Projekt ist aktuell in der Planungsphase. Vorgesehen sind insgesamt drei BHKW-Module mit zusammen ca. 4500 kW elektrischer Leistung. Die Auskopplung der Abgasabwärme in Höhe von 1700 kW erfolgt wie zuvor beschrieben über einen dreizügigen Abhitzekessel mit einer Leistung von 2600 kg Sattdampf (6 bar(Ü)).
Die Motorabwärme (3000 kW) wird in einem Energiespeicher gesammelt und mittels Absorptionskältemaschine (AKM) in Prozesskälte umgewandelt. Bei einer AKM ist die zugeführte thermische Energie die antreibende Kraft des Kälteprozesses, im Gegensatz zum elektrischen Antrieb von Kompressionskältemaschinen. Die vorgesehene Maschine hat eine Kälteleistung von ca. 2000 kW.
Die Kälte wird über ein Glykol-Wasser-Gemisch als Kälteträger dem Prozess zugeführt und zur Produktkühlung, z. B. im Bereich von Kurzzeiterhitzungsanlagen (KZE), eingesetzt. Für die Anlage ergibt sich ein Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent. Die Kälteerzeugung durch Einsatz von Wärme wird Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genannt und reduziert durch die Entlastung der bestehenden Kompressionskälteanlagen den Strombezug zusätzlich. Der relativ niedrige Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Wärme in Kälte muss allerdings in jedem Projekt kritisch bewertet werden.
Aufgrund des hohen Wirkungsgradverlusts erscheint es nur in Ausnahmefällen effektiv, bestehende KWK-Anlagen auf Wasserstoff-Verbrennung umzurüsten. Insofern stellt die Kraft-Wärme-Kopplung eine sinnvolle Übergangstechnologie für die nächsten Jahre darAusblick
Der Emissionsfaktor von eigenerzeugtem KWK-Strom ist niedriger als jener des aktuellen Strommix. Dieser wird aber durch den Ausbau der erneuerbaren Energien in den kommenden Jahren weiter sinken. Im European Green Deal wurde die Klimaneutralität bis 2050 verabredet, hierfür muss die Stromerzeugung komplett auf erneuerbare Energien umgestellt sein und außerdem zur Bereitstellung von weiterhin notwendigem Brennstoff, z. B. in Form von Wasserstoff oder E-Fuel, beitragen. Zwar können schon jetzt BHKW-Module mit geringen Modifikationen auf den Betrieb mit Wasserstoff umgestellt werden, der zweifache Wirkungsgradverlust bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff und dessen Verbrennung zur Erzeugung von elektrischem Strom lassen diese Vorgehensweise aber nur in Ausnahmefällen sinnvoll erscheinen. Die Kraft-Wärme-Kopplung wird auf dem Weg zur Klimaneutralität eine sinnvolle Übergangstechnologie für die nächsten Jahre darstellen. Im Koalitionsvertrag der neuen Regierung werden Gaskraftwerke für diesen Zweck ausdrücklich genannt. Wir dürfen gespannt sein, ob der Gesetzgeber bei der konkreten Umsetzung auch gasbetriebene KWK-Anlagen für die Industrie angemessen berücksichtigt.
Quellen
- https://www.bafa.de/DE/Energie/Energieeffizienz/Kraft_Waerme_Kopplung/kraft_waerme_kopplung_node.html (abgerufen am 14.12.2021).
- https://www.bhkw-infozentrum.de/beispiele/bhkw_des_monats_06_2018.pdf (abgerufen am 14.12.2021).
- N.N.: Mehr Fortschritt wagen, Koalitionsvertrag 2021–2025 zwischen der SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP, Berlin 2021.
