Blockheizkraftwerke
Allgemeines
BHKW-Funktionsschema
BHKW werden vor Ort und unabhängig von überregionalen EVU eingesetzt. Das Verfahren zur Energiegewinnung, das beim BHKW angewendet wird, wird Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) genannt. Hierbei werden zur gleichen Zeit Strom und Wärme bereitgestellt. Man könnte auch sagen, es werden Wärme und Strom bereitgestellt, was bedeutet, dass man beim Konzept festlegen muss, welche Energieform das BHKW „führt“.
Das Funktionsprinzip ist im Grunde genommen nicht besonders kompliziert. Nach Feststellung des für diesen Prozess am günstigsten zur Verfügung zu stellenden Brennstoffs (oder Brennstoffgemisches) wird mittels eines Motors oder einer Turbine in einem Generator Strom erzeugt. Die bei dem Prozess entstehende Abwärme infolge der Wirkungsgradverluste wird sinnvollerweise zu Heizzwecken genutzt. Es gibt heutzutage bezüglich der Anlagengröße, die von wenigen Kilowatt bis zu etlichen Megabyte reicht, kaum Begrenzungen.
Kriterium für den Einsatz ist letztlich einzig die Wirtschaftlichkeit. Und diese wird entscheidend durch den Jahresverbrauch in Verbindung mit dem Tagesgang der Verbräuche bestimmt.
Beispielhafte Berechnungsunterlagen
Die Berechnung eines BHKW ist eine komplexe Angelegenheit, weil eine Vielzahl von Randbedingungen in die Ermittlung von Größe, Auslegung und Wirtschaftlichkeit eingehen. Das betrifft unter anderem auch die im vorherein festzustellende zu erwartende Stromvergütung für KWK-Anlagen. Diese werden derzeit für die Betreiber von KWK-Anlagen nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz zeitlich befristet mit Zuschlag.
Eine Voraussetzung hierfür ist die Zulassung der Anlage durch das BAFA. Insofern stellt die dargestellte Berechnung ein exemplarisches Beispiel dar, in dem es nicht um die absoluten Werte geht, sondern darum, was auf das Facility Management an Daten und Angaben bei der Bearbeitung solcher Projekte zukommt. Drei der wichtigsten vorausgehenden Überlegungen sind:
Netzersatzanlagen (NEA)
Netzersatzanlagen sollen das Netz ersetzen, wenn dieses, warum auch immer, nicht zur Verfügung steht. Sie sind also eine Sicherheitseinrichtung für Anlagen und Einrichtungen, die nicht ausfallen dürfen, bzw. die stets betriebsbereit sein müssen, wie z.B.
Kälteanlagen für EDV/Lebensmittellagerung/zu kühlende Güter
Wichtige Aufzugsanlagen
bei Produktionsprozessen besonders vorrangig berechtigte Maschinen.
Im Zweifelsfall ist mit dem Bauherrn oder Nutzer sowie den einschlägigen Behörden der genaue Umfang der Notstromverbraucher und der Notstromnutzung abzuklären.
Man kennt Netzersatzanlagen auch unter den Begriffen Notstromdiesel oder Notstromaggregat. Ihre beiden Komponenten sind ein Verbrennungsmotor, dem ein Generator nachgeschaltet ist. Beides ist als Gesamtbauteil auf einem Grundrahmen vormontiert. Bekanntlich sind solche Anlagen sehr laut und entwickeln viel Verlustwärme. Damit ist es notwendig, sie in einem speziellen Betriebsraum unterzubringen. Für die Lage und Größe solcher Räume sind die folgenden Kriterien entscheidend:
Zufuhr von Verbrennungs- und Kühlluft
Wärmeabfuhr
Abfuhr von Strahlungswärme des Motors und Generators durch Luft
Abfuhr der Kühlluft oder Abwärme mit Wasser (wassergekühlte Motoren)
Abgasabführung über Dach
Zuordnung zu den korrespondierenden Niederspannungsschaltanlagen
gesicherte Kabelwege usw.
Zum gefahrlosen Bedienen müssen um das Aggregat herum mindestens 1,5 m freier Platz sein. Außerdem muss der Raum weitere Einbauten wie zum Beispiel Kraftstoffbehälter, Schaltanlagen, die Starterbatterie, die Zu- und Abgasanlage mit dem Schalldämpfer usw. aufnehmen können. Auch hierfür ist der erforderliche Bedienplatz vorzusehen.
Bei der Planung ist es wichtig zu entscheiden, ob die Aufstellung des Aggregats eine starre oder elastische sein soll, weil das die Ausführung des Fundamentes und mithin die Verlegung der Kabel bedingt. Notstromdiesel erzeugen Schwingungen, die sich ganz allgemein aber insbesondere auf das Gebäude ungünstig auswirken können. Aus diesem Grunde ist der Lagerung besonderes Augenmerk zu schenken. Es geht bei der Gestaltung der Lagerung oftmals um eine mechanische Entkopplung zwischen Maschine und Gebäude durch besondere Fundamentausbildung. Hierdurch werden Schwingungsübertragung und die Übertragung von Körperschall gleichermaßen unterbrochen. Bei der Aufstellung in Dachzentralen spielt eine zusätzliche Rolle auch noch die Tragfähigkeit (Statik).
Bei größeren Anlagen bedarf es eines weiteren Raumes, der die Schaltanlage aufnimmt. Bei kleinen Anlagen können Aggregat und Schaltanlagen in einem Raum untergebracht werden.
Eine sogenannte elastische Lagerung wird bei Anlagen bis zu einer Leistung von 250 kVA angewendet, die man durch Hartgummi- oder Federlager erreicht. Anlagen größerer Leistung benötigen zwingend ein gesondertes Fundament. Wird die Anlage noch größer, so stellt man mehrere Motoren parallel auf.
Die klassischen Energieträger zum Betrieb von Netzersatzanlagen sind Dieselöl aber auch Gas. Bei Dieselbetrieb bedarf es der Tanks für den Kraftstoffvorrat. Die Tankgröße des Vorratsbehälters wird im Wesentlichen von der maximalen ununterbrochenen Laufzeit der Anlage bestimmt und liegt letztlich im Ermessen des Betreibers. Ein mehrfacher Tagesbedarf ist durchaus denkbar.
Es liegt auf der Hand, dass eine gasbetriebene Anlage hier Vorteile hat. Wiederum dürfen hierbei allerdings Strom- und Gasausfall nicht zugleich eintreten! Aber wer weiß das schon im Voraus?
Die Flüssig-Kraftstoffbevorratung erfolgt durch einen Tagesbehälter und einen zusätzlichen wesentlich größeren) Vorratstank. Der Tagesbehälter soll eine Betriebszeit von 8 -10 Stunden ermöglichen. Diese Tagesbehälterfüllung berechnet man nach der Faustformel:
3 x Motorleistung [kW] = Tankinhalt [Liter].
Auch an die Kühlung der Motoren werden einige Ansprüche gestellt. Zwei Verfahren haben sich bislang durchgesetzt:
Raumbelüftung für Notstromdiesel
Motorkühlung über eine indirekte Wasserkühlung. Als Faustformel kann angesetzt werden, dass der Rohwasserbedarf pro Kilowattstunde zwischen 35-50 l liegt.
eine direkt an das Wassernetz angeschlossene Kühlung, verbunden mit einer Rückkühlung und mit Einbau eines Kühlwasser-Zwischenbehälters.
Es besteht auch die Möglichkeit, luftgekühlte Motoren zu verwenden. Wegen der geringeren spezifischen Wärme von Gas gegenüber Wasser, sind allerdings die Luftmengen erheblich. Es bedarf relativ großer Luftschächte und -kanäle. Zudem besteht die Forderung, die Fortluft stets über Dach zu führen, was nicht immer einfach möglich ist. Für die Ermittlung der abzuführenden Luftmengen spielen die Größe der Strahlungswärme, die Generatorverluste und die erforderliche Verbrennungsluft bei verschiedenen zulässigen Lufttemperaturdifferenzen eine wichtige Rolle. Bezüglich des notwendigen Platzbedarfs sind auch die entsprechenden Isolierdicken zu berücksichtigen.
Die Kühlluftmengen für Motoren sind raumtemperaturabhängig und betragen etwa:
95 m3/h kW bei 30 °C Raumtemperatur
115 m3/h kW bei 37 °C Raumtemperatur
140 m3/h kW bei 45 °C Raumtemperatur.
Die obenstehende Abbildung zeigt beispielhaft diesen Zusammenhang. Eckdaten für die Auslegung sind:
die Motorentemperaturen liegen zwischen 85 und 95 °C,
und es besteht die Forderung, dass in Betriebsräumen von Netzersatzanlagen 40 °C - auch wegen des hier zeitweise arbeitenden Personals - nicht überschritten werden sollen.
Auslegung der Netzersatzanlage
Eine Netzersatzanlage wird in der Regel für die notstromberechtigten Verbraucher ausgelegt (zeitliche Summierung der einzelnen Anschlussleistungen unter Berücksichtigung auch von Schein- und Blindleistung). Bei der Konzipierung der Netzersatzanlage sind die folgenden Einflussgrößen maßgeblich:
Der größte Verbraucher, der von der Netzersatzanlage versorgt wird (u. U. auch Berücksichtigung des Anlaufstroms)
die Grundlast, zu der weitere Lasten aufgeschaltet werden,
das einzuspeisende Netz (231/400 V oder andere),
die Aufstellungshöhe des Aggregats und
besondere Aufstellungsbedingungen infolge
Umgebungstemperaturen,
Luftfeuchte,
oder Verunreinigungen.
Notstromberechtigte Verbraucher
Notstromberechtigte Verbraucher ergeben sich aus
der Gebäudenutzung (Krankenhäuser, Versammlungsstätten)
und aus Errichtervorschriften besonderer technischer Einrichtungen (große Sprinklersysteme, Feuerwehraufzüge etc.).
Typische notstromberechtigte Verbraucher können sein:
Notbeleuchtung
EDV-Anlagen
Klimaanlagen für EDV-Anlagen
Kälteanlagen zur Lebensmittellagerung (zu kühlende Güter)
Aufzugsanlagen
bei Produktionsprozessen besonders berechtigte Maschinen.
Im Zweifelsfall ist mit dem Bauherrn oder Nutzer sowie den einschlägigen Behörden der genaue Umfang der Notstromverbraucher und der Notstromnutzung festzulegen.
Wartung von Notstromanlagen
Auszug aus Anhang 22 Produkt Wartung Notstrom
Grundsätzlich, also auch für Notstromanlagen stellt die VDMA-Richtlinie 24186 eine Checkliste für die Wartung zur Verfügung. Die Turnusse sind entsprechend der betrieblichen Bedingungen zu ermitteln und festzulegen sowie auf korrekte Einhaltung zu überwachen. Diese Liste enthält ein beispielhaftes Leistungsprogramm für die Wartung:
Antriebsaggregat auf Verschmutzung, Beschädigung, Korrosion und Befestigung prüfen
Funktionserhaltendes Reinigen
Schaltschrank
Starterbatterie und Ladeeinrichtung
Druckluftanlasser auf Funktion prüfen
Kühlsystem äußerlich auf Beschädigung, Korrosion und Dichtheit prüfen
Kühlsystem auf Frost- und Korrosionsschutz prüfen
Antriebsaggregat und Nebenaggregate nach Herstellervorschrift warten
Öllagerbehälter und Rückhaltesystem (z. B. Wanne) äußerlich auf Verschmutzung, Beschädigung, Korrosion und Dichtheit prüfen (Sichtprüfung)
Leitungen und Anschlüsse der Brennstoffversorgungsanlage auf Korrosion, Befestigung und Dichtheit prüfen (Sichtprüfung)
Umschalt- und Absperrventile der Brennstoffversorgungsanlage auf Funktion und Dichtheit prüfen
Füllstandanzeigevorrichtung am Lagerbehälter auf Funktion prüfen
Grenzwertgeber auf Funktion prüfen
Leckwarnsystem der Brennstoffversorgungsanlage auf Funktion prüfen
Generator auf Verschmutzung, Beschädigung, Korrosion und Befestigung prüfen
Generator nach Herstellervorschrift warten
Generatoranschlüsse auf festen Sitz prüfen, Generatoranschlüsse im Bedarfsfall nachziehen
Generator auf Laufruhe prüfen
Spannung und Frequenz am Generator messen
Sicherheits- und Abschaltkriterien überprüfen (z. B. Ölmangel, Überdrehzahl, Kühlwassermangel)
Auf Dichtheit prüfen (Sichtprüfung)
Raumbe- und -entlüftung auf Funktion prüfen
Raumbeleuchtung
Alles aufschreiben, möglichst ins CAFM-System.
Für die Prüfung von Erdung und Blitzschutz auf Funktion sind gegebenenfalls weitere Maßnahmen erforderlich. Um die Betriebsbereitschaft des Antriebsmotors und der Starteinrichtung sicherzustellen, ist eine Funktionsprüfung in Anlehnung an VDE 0107 und 0108 zweckmäßig und durchzuführen, bzw. bei Fremdvergabe gesondert zu vereinbaren.
Im Anhang 22 Produkt Wartung Notstrom.xls gibt es eine Berechnungstabelle für die Wartungskosten einer Notstromanlage. Das oben aufgeführte Leistungsprogramm der Wartung kann in dieser Tabelle entsprechend objektkonkret angepasst und ergänzt werden, weil sie entsprechend aufgebaut ist.
Die Tabelle zeigt das Blatt zum Eintragen des Leistungsprogramms und der zugehörigen kalkulierten Zeitvorgaben zwecks Ermittlung der Wartungskosten. In einem zweiten Tabellenteil können auch zusätzlich die Kosten für die An- und Abfahrt des Servicepersonals mitberücksichtigt werden. Insofern hilft das Berechnungstool auch zur Entscheidung „Make or Buy“.