Kraft-Wärme-Kopplung (eBook)

Karl W. Schmitz trägt seit mehr als 25 Jahren in vielen Projekten der industriellen und kommunalen Energieversorgung die Verantwortung für die Durchführung der Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen und für die Realisierung der Lösungen. Er ist Geschäftsführer der EU-Consult GmbH Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik. Gunter Schaumann ist Gründer und war bis 2004 Leiter der Transferstelle für rationelle und regenerative Energienutzung sowie Geschäftsführer des Institutes für Innovation, Transfer und Beratung in Bingen und Mainz. Er befasst sich vor allem mit Fragen der rationellen Energienutzung in Betrieben und Kommunen und hat dazu eine Reihe von Beiträgen und Büchern veröffentlicht.

Vorwort 5
Inhalt 7
Autoren 11
1 Einführung 12
2 Systemübersicht und Vorteile der KWK 16
2.1 Anlagenübersicht 18
2.2 Energetische und ökologische Vorteile der KWK 26
3 Methodisches Vorgehen bei der Vorbereitung von Systementscheidungen 32
3.1 Darstellung der Rahmenbedingungen 33
3.2 Zusammenstellung der technischen und wirtschaft- lichen Grundlagen für Auswahl und Berechnung der Varianten 34
3.3 Ermittlung und Analyse der Bedarfswerte 34
3.4 vorhandene Energieversorgungsanlagen 35
3.5 Auswahl und Dimensionierung 36
3.6 Berechnung der ökonomischen Eckdaten und Variantengegenüberstellung 37
3.7 Ökologische Systemanalyse und Variantengegenüberstellung 38
3.8 Zusammenfassende Bewertung und Systemempfehlung 38
4 Anlagenauswahl und Dimensionierung 39
4.1 Auswahl der einsetzbaren KWK-Anlagen 40
4.2 Festlegung der Betriebsart 42
4.3 Leistungsauslegung der Gesamtanlage 44
4.4 Auswahl und Dimensionierung der peripheren Hilfseinrichtungen und Anlagen für jede Variante 47
4.5 Erstellen der Aufstellungskonzepte 47
4.6 Festlegung der Mengengerüste und Ermittlung der Investitionen und der dazugehörigen Kapitalkosten 48
4.7 Ermittlung der Bedarfswerte 48
4.8 Ermittlung der Kosten 48
4.9 Ökonomische und ökologische Variantengegenüberstellung 48
4.10 Optimierung der Auslegungsdaten 49
5 Technische Grundlagen 52
5.1 KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotoren 66
5.1.1 Aufbau und Integration in die Wärmeversorgung 68
5.2.1.1 Einfacher, offener Gasturbinenprozess mit Abhitzekessel 109
5.2.1.2 Gas- und Dampfturbinenprozess 109
5.2.1.3 Gasturbine mit Dampfeinspritzung (Cheng-Prozess) 112
5.1.2 Aufstellungsverhältnisse/Gesamtanlagenumfang 71
5.1.3 Motorbauarten/Aggregatetechnik 78
5.1.4 Emissionen/Emissionsminderungsmaßnahmen 81
5.1.5 Basisdaten der Wirtschaftlichkeitsberechnung 89
5.1.5.1 Leistungsdaten 91
5.1.5.2 Jahresarbeit 93
5.1.5.3 Investitionen 96
5.1.5.4 Wartungs- und Instandhaltungsaufwand 97
5.1.5.5 Personalaufwand 100
5.1.6 Konzeption von Klein-BHKW-Anlagen 101
5.2 KWK-Anlagen mit Gasturbinen 104
5.2.1 Gesamt-Anlagenprozess 106
5.2.2 Aufstellungsverhältnisse/Gesamtanlage 113
5.2.3 Gasturbinenbauarten 123
5.2.4 Emissionen/Emissionsminderungsmaßnahmen 127
5.2.5 Basisdaten der Wirtschaftlichkeitsberechnung 128
5.2.5.1 Leistungswerte 129
5.2.5.2 Jahresarbeit 132
5.2.5.3 Investitionen 136
5.2.5.4 Wartungs- und Instandhaltungsaufwand 137
5.2.5.5 Personalbedarf 139
5.3 KWK-Anlagen mit Dampfturbinen 142
5.3.1 Gesamtanlagenprozess 144
5.3.2 Aufstellungsverhältnisse/Gesamtanlagenumfang 150
5.3.2.1 Dampfturbinentechnik 152
5.3.2.2 Dampfkesselanlagen für Dampfturbinen-Heizkraftwerke 155
5.3.3 Bauarten und technische Rahmenbedingungen für die Konzeptionierung von Heizkraftwerken mit Dampfturbinen 165
5.3.4 Emissionen/Verbrennungsrückstände 169
5.3.4.1 Emissionen 169
5.3.4.2 Verbrennungsrückstände 175
5.3.5 Basisdaten der Wirtschaftlichkeitsberechnung 176
5.3.5.1 Leistungswerte 177
5.3.5.2 Jahresarbeit 199
5.3.5.3 Investitionen 202
5.3.5.4 Wartungs- und Instandhaltungsaufwand 203
5.3.5.5 Personalaufwand 205
5.4 Sonstige KWK-Anlagen 208
5.4.1 Direktantrieb von Arbeitsmaschinen durch Verbrennungskraftmaschinen oder Dampfturbinen 208
5.4.2 KWK-Anlagen auf Basis von Dampfmotoren 209
5.4.3 Verbrennungsmotorwärmepumpen 210
5.4.4 Absorptionskälteanlagen 214
5.4.5 Adsorptionskälteanlagen 219
5.4.6 ORC-Anlagen und ihre Anwendung in der Geothermie 221
5.4.7 Stirling-Motoren 226
5.4.8 Brennstoffzellen-Heizkraftwerke 228
6 Investitionsrechnungen – Betriebswirtschaftliche Grundlagen 232
6.1 Allgemeines 233
6.2 Statische Verfahren 236
6.2.1 Kostenvergleichsrechnung 236
6.2.2 Gewinnvergleichsrechnung 239
6.2.3 Rentabilitätsvergleichsrechnung 240
6.2.4 Amortisationsrechnung 242
6.2.5 MAPI-Methode 245
6.2.6 Anmerkungen zu den statischen Verfahren der Investitionsrechnung 247
6.3 Dynamische Verfahren 248
6.3.1 Kapitalwertmethode 252
6.3.2 Interne Zinsfuß-Methode 254
6.3.3 Annuitätenmethode 256
6.3.4 Anmerkungen zu den dynamischen Verfahren der Investitionsrechnung 258
6.4 Anwendung der Investitionsrechnung in der Praxis 261
7 Wirtschaftlichkeitsberechnung 262
7.1 Zusammenstellung der Kostenansätze 264
7.2 Berechnung der Leistungs- und Arbeitswerte 269
7.3 Zusammenstellung der Investitionen und der Kapitalkosten 279
7.4 Zusammenstellung der betriebsgebundenen Kosten 282
7.5 Jahreskostenberechnung und Variantengegenüberstellung 284
7.6 Sensitivitätsanalyse 288
8 Ökologische Systemanalyse 290
8.1 Schadstoffbilanz 290
8.2 Ökologische Bewertung der Systeme 295
8.2.1 Emissionsbewertung 296
8.2.2 Immissionsbewertung 299
8.3 Die Kraft-Wärme-Kopplung im Emissionshandel 300
8.3.1 Das Prinzip des Emissionshandels 301
8.3.2 Beispiel für den Emissionshandel 301
8.3.2 Beispiel für den Emissionshandel 301
8.3.3 Gesetzliche Rahmenbedingungen des Emissionshandels 302
8.3.4 Die Bedeutung der KWK für die CO2–Emissionen des deutschen Kraftwerksparks 303
8.3.5 Klimaschutz als übergeordnetes Ziel gesetzliche Festlegungen
9 Beispiele ausgeführter KWK-Anlagen 306
9.1 Kraft-Wärme-Kälte-Druckluft-Kopplung 306
9.1.1 Anlagenbeschreibung Kraft-Wärme-Kälte-Druckluft- Kopplung 307
9.1.1.1 Energiebereitstellung 307
9.1.1.2 Energieverteilung 308
9.1.1.3 Struktur Energieverwendung 309
9.1.2 Betriebspunkte der Anlage 309
9.1.2.1 Betriebspunktbestimmung Dampferzeuger 309
9.1.2.2 Betriebspunktbestimmung der Turbinen 312
9.1.2.3 Schichtenmodell zur Anlagenbetrachtung 317
9.1.2.4 Bewertung der Kraft-Wärme-Kälte-Druckluft-Kopplung 320
9.2 Standardisierte BHKW-Wirtschaftlichkeitsberechnung 326
9.3 Biomasse-Heizkraftwerk, Realisierungsergebnisse 329
9.4 Nachrüstung einer Gasturbinenanlage 332
9.4.1 Aufgabenstellung 332
9.4.2 Ergebnis der Bestandsaufnahme 333
9.4.3 Auswahl und Dimensionierung technisch sinnvoller Varianten 333
9.4.3.1 Variante 9.4-I: Nachrüstung einer Gasturbinenanlage 333
9.4.3.2 Variante 9.4-II: Nachrüstung eines Heißwasserkessels 334
9.4.4 Ökonomische und ökologische Gegenüberstellung der ausgewählten Varianten 335
9.5 Wärmeauskopplung aus großen GuD-Anlagen 351
Literatur 356
Sachverzeichnis 362
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 366

6 Investitionsrechnungen – Betriebswirtschaftliche Grundlagen  (S. 221-222)

„Lohnt sich die Investition?" – Eine genauso schwierige wie einfache, aber in jedem Fall wichtige Frage. Investitionsentscheidungen begleiten den Lebenszyklus einer Unternehmung, insbesondere wenn dabei signifikante produktionsorientierte Wertschöpfungsprozesse vorliegen.
  Der Einfluss einer getroffenen Investitionsentscheidung auf die wirtschaftliche Entwicklung des Unternehmens ist groß, da zum einen sich die Folgen der Entscheidung über mehrere Perioden erstrecken und Fehlentscheidungen somit nur schwer heilbar und zum anderen die aufzuwendenden Ressourcen (insbesondere Geldmittel) in diesem Zusammenhang meist von beträchtlicher Höhe sind.
  Somit stellen Investitionsentscheidungen wichtige unternehmerische Weichenstellungen dar. Im Sinne eines risikoorientierten unternehmerischen Ansatzes bedarf es daher fundierter Beurteilungsmethoden, um Entscheidungen zielorientiert zu unterstützen.
  Die große Anzahl von Verfahren zur Bewertung von Investitionsentscheidungen, die sich in der Betriebswirtschaft entwickelt haben, ist u. a. ein Indikator dafür, dass es bei der Beantwortung der Eingangsfrage auf die jeweiligen Rahmenbedingungen und Betrachtungsebenen ankommt.
  Im Folgenden werden die wichtigsten Investitionsrechnungsverfahren beschrieben, ihre Unterschiede aufgezeigt und eine grundsätzliche Würdigung vorgenommen. Unter Investitionsrechnung soll dabei der Teilprozess der Investitionsplanung und -entscheidung verstanden werden, der die Beurteilung der Vorteilhaftigkeit eines Investitionsprojektes oder mehrerer Investitionsalternativen ermöglichen soll.
  Auf die Darstellung von Verfahren, die sich mit der Beurteilung von Investitionsprogrammen, also der optimalen Kombination von mehreren Einzelprojekten (und bspw. der Finanzierung), beschäftigen, wird aus Gründen der Praktikabilität und des Umfangs verzichtet.
  Die Beschreibung und Würdigung der Verfahren zur Investitionsrechnung ist in der betriebswirtschaftlichen Literatur breit eingeführt. Gegenüber diesen, zumeist rein wissenschaftlichen Darstellungen, wird in den weiteren Ausführungen versucht, den Leser grundlagen- und praxisorien tiert an die Inhalte heranzuführen. Ein- und weiterführende Literaturangaben finden sich im Literaturverzeichnis.

6.1 Allgemeines

Investitionen binden finanzielle Mittel. Investitionsrechnungen sollen die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit eines Investitionsprojektes aufzeigen. Die Vorteilhaftigkeit kann sich dabei nach unterschiedlichen Kriterien ergeben. So haben bspw. Investitionsrechnungen das Ziel, die Rentabilität einer geplanten Investition zu ermitteln. Bezogen auf die Rentabilität ist eine Investition in der Regel dann vorteilhaft, wenn die Einnahmenüberschüsse aus der Investition die Anschaffungsauszahlungen abdecken und darüber hinaus das in einem Investitionsprojekt gebundene Kapital in „angemessener" Höhe verzinst wird.  
  Die Angemessenheit ergibt sich aus den Renditeerwartungen des jeweiligen Investors. Im Mindestfall orientieren sich diese Erwartungen an den am Kapitalmarkt erzielbaren Renditen. Auf der Grundlage des wirtschaftlichen Handelns wird der Investor jedoch auch eine zusätzliche Risikoprämie fordern. Im Vergleich zu einer Anlage am Kapitalmarkt (z. B. öffentliche Anleihen) gibt es für Investitionen in Produktionsmittel zahlreiche zusätzliche Risiken und Wagnisse, die in Form von Aufschlägen auf die Renditeerwartung berücksichtigt werden. Folglich ist die exakte, also anreiz- und entscheidungsorientierte, Ermittlung der Projektdaten und -prämissen, insbesondere der Wertezeitreihe, von großer Bedeutung. Einige Verfahren orientieren sich nicht an den Zahlungsstromgrößen (z. B. Ausgaben/Einnahmen), sondern operieren u. a. mit Begriffen wie bspw. Aufwendungen, Kosten, Erlösen u. s. w. Diese unterschiedlichen Begriffe entstammen den kaufmännischen Abrechnungssystemen, die sich an den Prozessen in den Unternehmen orientieren. Grundsätzlich werden folgende Begriffspaare unterschieden:

Auszahlung               Einzahlung
Ausgaben                 Einnahmen
Aufwendungen          Erträge
Kosten                     Leistungen/Erlöse

Die Begriffe Auszahlung und Einzahlung repräsentieren die Bewegungen von Bar- und Buchgeldern.