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Dr Schaette KG Bad Waldsee
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- Energiekonzept
- Rapsöl-BHKW 50 kWth
- Solarthermische Anlage
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Das vorliegende Konzept hat zum Ziel, Entscheidungshilfen hinsichtlich der wärmetechnischen und elektrischen Versorgung der bereits bestehenden und geplanten Gebäude zu geben. Dabei soll im wesentlichen nicht nur die reine Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung im Vordergrund stehen, sondern es sollen vielmehr zusätzliche Möglichkeiten im Rahmen einer nachhaltigen Versorgung aufgezeigt werden - unter Verwendung regenerativer Energien und nachwachsender Rohstoffe.
Die Gesamtkosten für Energie belaufen sich derzeit auf ca. 77.000 DM pro Jahr. Hiervon wurden ca. 55.000 DM für elektrischen Strom ( HT /NT) aufgewendet, was einem Jahresbezug von ca. 135.000 kWh entspricht. Für Heizung und Warmwasser wurden insgesamt 277.313 kWh Erdgas benötigt - dieser Bezug verursachte Kosten in Höhe von ca. 17.500 DM. Die Trinkwasserversorgung und Abwasserbeseitigung des Gebäudes wird mit ca. 700 m3 beziffert – dies entspricht ca. 4.000 DM pro Jahr.
Wie aus den folgenden Erläuterungen ersichtlich, soll eine solarthermische Anlage installiert werden, die die Aufgabe hat, zumindest in den sonnenstarken Monaten ( April bis September) einen wesentlichen Beitrag zur Warmwasserbereitung zu leisten. Darüber hinaus ist geplant, ein Blockheizkraftwerk ( Gas/ Öl) zur unterstützenden Wärme- und Stromversorgung des Gebäudes zu errichten. In einem ersten Bauabschnitt wird eine Photovoltaikanlage zur Netzeinspeisung mit einer Leistung von 50 kWp installiert. Aufgrund des neu verabschiedeten Energie-Einspeise-Gesetzes ( EEG) werden die kommenden 20 Jahre mit ca. 99 Pf pro eingespeister Kilowattstunde ( kWh) vergütet ( -5% /a). Diese Anlage wird eine erheblichen Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs leisten – ca. 50.000 kWh pro Jahr Solarertrag werden prognostiziert.
Das Gesamtkonzept beinhaltet einen relativ großzügig dimensionierten Wasserspeicher, der die Wärmezentrale für BHKW und Solarthermische Anlage darstellt. Diese Wärmezentrale besteht im Idealfall aus mehreren einzelnen Einheiten, die verschieden temperierte Zonen aufweisen. Diese verschiedenen Einheiten werden über eine entsprechende Regelungslogik geschichtet beladen. Aus diesen Speichereinheiten werden anteilig Warmwasser und Heizungswärme entnommen. Solarthermische Anlage zur Brauchwassererwärmung Für die Nutzung der Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung ergeben sich günstige Voraussetzungen, da der Warmwasserbedarf über das Jahr annähernd konstant ist. Es besteht dadurch eine größere Übereinstimmung zwischen Energiebedarf und solarem Energieangebot als bei der Nutzung zur Raumheizung.
Warmwasserbedarf und Sonneneinstrahlung
Mit einer richtig dimensionierten Anlage kann man jährlich 50 % bis 65 % des Warmwasserbedarfs mit Sonnenenergie decken. Im Sommer kann meistens der gesamte Bedarf an Warmwasser über die Solaranlage bereitgestellt werden. Dann kann die konventionelle Heizanlage ganz abgeschaltet werden. Das ist besonders vorteilhaft, weil sie in diesem Zeitraum wegen des wegfallenden Heizbedarfs nur mit einem niedrigen Nutzungsgrad arbeitet. Man kann die angebotene Sonnenenergie noch besser nutzen, wenn anstatt der herkömmlichen Geräte, Waschmaschinen und Geschirrspüler mit Warmwasseranschluss zum Einsatz kommen. Wie funktioniert eine thermische Solaranlage? Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Ein Flachkollektor, die am weitesten verbreitete Bauform eines Kollektors, besteht aus einem selektiv beschichteten Absorber, der zur Absorption („Aufnahme") der einfallenden Sonnenstrahlung und ihrer Umwandlung in Wärme dient. Zur Minimierung von thermischen Verlusten wird dieser Absorber in einen wärmegedämmten Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) eingebettet. Der Absorber wird von einer Wärme-trägerflüssigkeit (üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel) durchströmt, die zwischen Kollektor und Warmwasserspeicher zirkuliert. Thermische Solaranlagen werden über einen Solarregler in Betrieb genommen. Sobald die Temperatur am Kollektor die Temperatur im Speicher um einige Grad übersteigt, schaltet die Regelung die Solarkreis-Umwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher. Die konventionelle Heizung gewährleistet über den Ladekreis, dass auch dann ausreichend warmes Wasser zur Verfügung steht, wenn die Solaranlage keine oder zu wenig Nutzenergie liefert. Solaranlagen lassen sich problemlos in die Gebäudetechnik integrieren. Damit ergänzt eine moderne thermische Solaranlage, die mit mindestens 25 Jahren die Lebensdauer eines Heizkessels übertrifft, die konventionelle Heiztechnik ideal.
Technische Daten der projektierten Anlage
Kollektorfläche (Flachkollektor) 14 m2 Aufstellwinkel 38 ° Azimut 0 ° Warmwasserspeicher 750 l
Warmwasserverbrauch
Tagesverbrauch 1500 Liter Zirkulationsverlustleistung 200 W Warmwassertemperatur 60 °C
Simulationsergebnisse
Einstrahlung 19.445 kWh Vom Solarsystem erbracht 9.767 kWh Nutzenergie 20.047 kWh Eingesetzter Brennstoff 1.374 m3 Deckungsanteil 40 % Eingesparter Brennstoff 1.544 m3 Vermiedene CO2-Emissionen 3 t/a
Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung
Photovoltaik-Module ermöglichen die direkte Umwandlung von eingestrahltem Sonnenlicht in Elektrizität. Sie unterscheiden sich damit grundlegend von Solarkollektoren, die zur Erzeugung von Wärme, insbesondere zur Warmwasserversorgung, dienen. Die aktiven Elemente der PV-Module sind Solarzellen, in denen sich die Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Gleich-stromleistung vollzieht. Bisher ist der Halbleiterwerkstoff Silizium das Basismaterial für alle marktgängigen Solarzellen. Allen Solarzellen ist ein relativ geringer Wirkungsgrad gemeinsam, der je nach Zellen-typ zwischen 5 und 16 % liegt; d. h., nur dieser Anteil der eingestrahlten Leistung des Sonnen-lichts kann in Elektrizität umgewandelt werden. Üblicherweise werden PV-Module mit kristallinen Solarzellen für eine Leistung von 40 bis 60 W angeboten. Im allgemeinen wird die Leistung einer PV-Anlage in der Einheit kWp
bezeichnet. Damit wird die Generator - MPP - Leistung unter Standard-Testbedingungen
angegeben. Im praktischen Betrieb wird diese Leistung nur selten erreicht, da bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2 üblicherweise eine Zellentemperatur von 40 bis 50 °C herrscht. Damit liegt die Leistung ca. 10% unter derjenigen bei Standard-Testbedingungen mit der Zellentemperatur von 25 °C. Die Zusammenschaltung der einzelnen Module erfolgt je nach gewünschter Generatorleistung entweder parallel oder seriell. Ein Gleichstromgenerator mit 1 kWp erzeugt im Jahresmittel etwa 850 – 900 kWh Strom – je nach den geographischen Gegebenheiten.
Netzparallel- Betrieb
Der erzeugte Gleichstrom der PV-Module wird mit Hilfe eines Wechselrichters, der vom öffentlichen Stromnetz "parallel geführt " wird, in netzparallelen Wechselstrom umgewandelt. Bei zu hoher Leistung der Anlage wird die überschüssige Leistung ins öffentliche Netz über sogenannte Rückspeisezähler eingespeist. Bei geringerer Leistung wird die fehlende Energie aus dem Netz bezogen. Auf diese Weise fallen außer im Wechselrichter selbst keine weiteren Verluste an, so dass die PV-Anlage im Netzparallelbetrieb mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Der nicht vorhandene Energiespeicher wird also durch die Leistungsreserve der Kraftwerke ersetzt.
Dimensionierung im vorliegenden Fall
Montage der Photovoltaikanlage auf dem nach Südosten mit 14 ° geneigten Dach.
PV- Leistung 50 kWp PV-Fläche, brutto 370 m2 600 St. BP585F, Saturnt. 85 Wp 17 St. WR a 2.8 kW (SMA) 17 St. Aufstellwinkel 14 ° Azimut -45 ° Einstrahlung 460.000 kWh/a Erzeugte Energie 48.000 kWh/a
Systemnutzungsgrad 10,3 % Anlagennutzungsgrad 76,6 % Wechselrichter Nutzungsgrad 88,8 % PV-Generator Nutzungsgrad 11,7 %
Spezifischer Jahresertrag 951,4 kWh/kWp Vermiedene CO2-Emissionen 42 t/a Einspeisevergütung (Hoch- / Niedertarif) -20 Jahre 99 Pf/kWh Amortisationszeit 15 Jahre Stromgestehungskosten 72 Pf/kWh
Die Ergebnisse sind durch eine mathematische Modellrechnung ermittelt worden. Die tatsächlichen Erträge der Photovoltaikanlage können aufgrund von Schwankungen des Wetters, der Wirkungsgrade von Modulen und Wechselrichter und weiterer Faktoren abweichen. Die Gesamtkosten für die schlüsselfertige Anlage belaufen sich inklusive Datenerfassung und Visualisierung auf ca. 550 TDM. Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerk)
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind motor-getriebene Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung. Ein BHKW- Modul besteht im wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor als Antrieb, einem Generator zur Stromerzeugung und dem Wärmetauscher zur Auskopplung der Wärme aus Kühlwasser und Abgas. BHKW- Module sind verfügbar von 5 kWel bis 7 MWel, d.h. die Leistung der größten Einheiten ist ummehr als den Faktor 1000 höher als die der kleinsten. Die technischen Konzepte der Motoren reichen dabei vom speziell entwickelten Kleinmotor über modifizierte Kfz- Motoren, Dieselaggregate aus dem Lkw-Bereich, stationäre Gasmotoren bis zu großen Dieselmotoren, die aus der Entwicklung von Schiffsantrieben stammen. Die Palette der in Blockheizkraftwerken eingesetzten Brennstoffe ist auch heute schon relativ breit und für weitere Entwicklungen noch offen. Den größten Anteil hat derzeit das Erdgas. Zusätzlich werden jedoch auch leichtes Heizöl, Klärgas, Deponiegas und Flüssiggas genutzt. Aus dem Bereich der regenerativen Energieträger kommen Biogas, Holzgas, Rapsöl und Alkohol als Brennstoff in Frage, vorausgesetzt, sie werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Ein Energieträger der Zukunft, der auch im BHKW eingesetzt werden kann, ist der Wasserstoff. Im vorliegenden Fall wird als Energielieferant reines Rohöl ( Raps, Sonnenblumen, Hanf, etc. ) eingesetzt.
Wirtschaftlichkeitsrechnung
Eine grundsätzliche Aussage über den wirtschaftlichen Betrieb eines BHKW´ s lässt sich pauschal nicht geben. Zu verschieden sind die tatsächlichen Energieverbräuche auf dem Betrieb . Noch schwerer kalkulierbar sind die Investitionskosten der Anlage. Anhand einiger Kennzahlen soll verdeutlicht werden, ab wann ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb zu erwarten ist.
Kennzahlen zum wirtschaftlichen BHKW- Einsatz
Deutliche Kosteneinsparungen sind erst bei noch höheren Verbräuchen oder bei steigenden Energiepreisen zu erwarten.
Regenwassernutzung
Das Angebot an Regenwasser in Deutschland
Die jährlichen Niederschlagsmengen in Deutschland liegen für die meisten Gebiete zwischen 500 mm und 1250 mm. In den Mittelgebirgen treten vereinzelt Jahresnieder-schlagssummen von bis zu 1500 mm, im Schwarzwald sogar bis zu 2000 mm, auf. In den Hochgebirgslagen der Alpen finden sich sogar Werte von über 2000 mm pro Jahr. Die Verteilung der Niederschläge über das Jahr hinweg ist abhängig von der Region. Im Norden und im Binnenland beispielsweise ist beim Vergleich der Monatssummen eine deutliche Spitze im Sommer erkennbar, d.h. in den Sommermonaten fällt mehr Niederschlag als im Winter. Im Mittelgebirge hingegen hat man auch im Winter ein hohes Angebot an Niederschlag, das sogar die Monatssumme der regenreichsten Sommermonate übertreffen kann.
Wassereinsparungsmöglichkeiten
Der durchschnittliche Trinkwasserverbrauch in einem Haushalt in Deutschland beträgt etwa 150 Liter Trinkwasser pro Person und Tag. Dieser Verbrauch lässt sich durch geeignete Maßnahmen auf bei zu weniger als 60 Liter pro Tag reduzieren. Der erste Schritt sind generelle Trinkwassereinsparungen. Denn allein schon dadurch lässt sich der jährliche Trinkwasserverbrauch in einem Durchschnittshaushalt um ca. 1/3 verringern. Kostenlose Maßnahmen ergeben sich allein durch den bewussten Umgang mit Trinkwasser. Dazu gehört beispielsweise das weniger weite Öffnen des Wasserhahns, sowie das Abdrehen des Wasserhahns beim Zähneputzen oder Händewaschen. Tropfende Wasserhähne sind eine weitere Quelle unnötiger Trinkwasser-verschwendung. Durch die Vermeidung von Waschgängen mit nur wenigen Wäscheteilen kann ebenfalls eine Verringerung des Wasserverbrauchs der Waschmaschine erzielt werden. Die übrigen Maßnahmen zur Trinkwasser-einsparung sind meist sehr kostengünstige Maßnahmen. Dazu zählen vor allem der Einbau spezieller Armaturen, bzw. durchfluss-vermindernde Aufsätze für Wasserhähne, Dichtungen für tropfende Wasserhähne, sowie Spartasten oder andere Maßnahmen, welche die Spülmenge bei Toiletten reduzieren. Die Verwendung von Regenwasser zur Toilettenspülung ist völlig unbedenklich, da für die WC-Spülung selbst Wasser mit geringerer Qualität als Regenwasser ausreichend ist. Für den Wasserverbrauch von Toiletten liegen sehr unterschiedliche Ergebnisse vor. Eigene Untersuchungen zufolge liegt der Verbrauch für die Toilettenspülung in Haushalten zwischen 25 und 45 Liter pro Tag. Werktätige Personen benötigen an Werktagen weniger, als Personen die den ganzen Tag zu hause sind. Am Wochenende ist der Verbrauch der beiden Personengruppen gleich. Der Verbrauch bei Druckspülern lag vor 1985 bei 6 bis 14 Liter, nach 1985 bei 6 bis 9 Liter pro Spülung. Wasserintensive Prozesse, Reinigungszwecke und Sonstiges
Regenwasser eignet sich hervorragend für alle wasserintensiven Prozesse in der verarbeitenden Industrie und Gewerbe, die keine Trinkwasseranforderung haben. Beispielsweise lässt sich Regenwasser in LKW-Waschanlagen oder auch zum Kühlen verwenden (s. König, 1996/). Wie im Haushalt kann Regenwasser auch in der Industrie und im Gewerbe zu allen Arten von Reinigungszwecken benutzt werden, die ebenfalls keine Trinkwasseranforderung haben. In einigen Kommunen werden Abgaben für versiegelte Flächen erhoben. Für Betriebe mit größeren versiegelten Fläche kann dies zu einem nicht unwesentlichen Kostenfaktor werden. Eine (teilweise) Befreiung von den Abgaben kann oftmals durch den Einbau von Regenwasseranlagen erzielt werden. Wird zudem noch die Einsparung durch den verringerten Trinkwasserbedarf mitgerechnet, so hat sich die Regenwasseranlage innerhalb kurzer Zeit amortisiert. |