Heizkonzept Fischzucht - Fachhochschule Flensburg

Dimensionierung und Vergleich geeigneter
Heizkonzepte für die Zanderzucht Drellborg
Projektarbeit 6. Semester
Fachhochschule Flensburg
eingereicht bei Herrn
Professor Watter
Wolf Hayo Schleevoigt, Eduard Stricker, Jan Frederik
Braatz, Moritz Oldörp
Projektmanagement
Sommersemester 2013

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis .......................................................................................... I
Abbildungsverzeichnis ............................................................................... III
Tabellenverzeichnis .....................................................................................IV
Abkürzungsverzeichnis ...............................................................................V
1. Projekt- und Anlagenbeschreibung ...................................................... 6
2. Bestimmung des Wärmebedarfs .......................................................... 8
2.1 Wahl des angemessenen Berechnungsverfahrens ................................ 8
2.2 Vereinfachte Berechnungsverfahren ...................................................... 9
2.3 Norm-Wärmeverlust ............................................................................... 9
2.3.1 Norm-Transmissionswärmeverlust ....................................................... 9
2.3.1.1 Temperaturkorrekturfaktor .......................................................... 10
2.3.1.2 Korrigierter Wärmedurchgangskoeffizient ................................... 10
2.3.1.3 Berechnung des U-Wertes .......................................................... 11
2.3.1.4 Norm-Innentemperatur ................................................................ 12
2.3.1.5 Norm-Außentemperatur .............................................................. 13
2.3.2 Norm-Lüftungswärmeverlust............................................................... 14
2.3.3 Mindest- Luftvolumenstrom ................................................................ 14
2.4 Energieaufwandberechnung zur Wassererwärmung ........................... 15
2.5 Heizlastermittlung ................................................................................. 15
2.5.1 Erfassung aller relevanten Werte der Referenzanlage ....................... 15
2.5.2 Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 ........................................... 19
2.5.3 Mögliche Optimierungsmaßnahmen ................................................... 20
2.5.4 Berechnung des zu erwartenden Wärmeenergieeinsparpotenzials
nach Optimierung der Gebäudeenergieeffizienz ................................ 21
3. Konventionelle Heizsysteme ............................................................... 22
3.1 Dimensionierung des Heizungssystems .............................................. 22
3.1.1 Gasheizung ........................................................................................ 22
3.1.2 Pelletofen............................................................................................ 24
3.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung.................................................................. 26
4. BHKW .................................................................................................... 27
4.1 Beschreibung der Rahmenbedingungen .............................................. 27
4.2 Dimensionierung eines BHKW ............................................................. 28
I

Inhaltsverzeichnis
4.2.1 Bestimmung des monatlichen Heizenergiebedarfs ............................. 28
4.2.2 Dimensionierung des BHKW .............................................................. 30
4.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.............................................................. 31
5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser ................................................. 33
5.1 Beschreibung des vorliegenden Prozesses ......................................... 33
5.1.1 Aufheizung und Trocknung ................................................................. 35
5.1.2 Pyrolytische Zersetzung ..................................................................... 35
5.1.3 Oxidation ............................................................................................ 35
5.1.4 Reduktion ........................................................................................... 36
5.2 Dimensionierung der Komponenten anhand der Heizlast .................... 37
5.2.1 Benötigte Holzhackschnitzelmenge pro Kilowattstunde
Heizenergie ........................................................................................ 37
5.2.2 Mögliche Anlage unter Berücksichtigung der benötigten
Heizleistung ........................................................................................ 38
5.2.3 Anforderungen an mögliche weitere Komponenten ............................ 39
5.2.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung ............................................................ 39
5.3 Berechnungen der CO 2 -Bilanz im Betrieb ............................................ 41
6. Fazit ....................................................................................................... 42
Erklärung der Verfasser ............................................................................. 44
Anhang .........................................................................................................VI
Literaturverzeichnis ....................................................................................VII
II

Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Aufzuchtanlage der F&M Anlagenbau GmbH ............................ 6
Abbildung 2: Beispiel Wandaufbau [2] .......................................................... 11
Abbildung 3: Klimazonen in Deutschland [3] ................................................ 13
Abbildung 4: Jahresdauerlinie ...................................................................... 22
Abbildung 6: Monatlicher Heizenergiebedarf und gelieferte Wärme ............. 29
Abbildung 7: Deckung des Heizenergiebedarfs durch BHKW ...................... 30
Abbildung 8: Durchschnittliche Zusammensetzung Holzgas [12] ................. 34
Abbildung 9: Übersicht der im Holzvergaser stattfindenden Vorgänge [11] .. 34
Abbildung 10: Kumulierte Kosten über 20 Jahre .......................................... 42
III

Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Temperaturkorrekturfaktor f k für Wärmeverluste an
verschiedene Umgebungsbereiche nach außen ...................... 10
Tabelle 2: Norm-Innentemperaturen ............................................................ 12
Tabelle 3: Mindestluftwechselzahl η min ........................................................ 14
Tabelle 4: Flächen A k einzelner Bauteile ...................................................... 16
Tabelle 5: Wärmedurchgangskoeffizienten U k,B.Teil ....................................... 17
Tabelle 6: Raumvolumen .............................................................................. 18
Tabelle 7: Mindestluftwechselzahl ................................................................ 18
Tabelle 8: Heizlastberechnung ..................................................................... 19
Tabelle 9: Heizlastberechnung nach Optimierung ........................................ 21
Tabelle 10: Gasverbrauch ............................................................................ 23
Tabelle 11: Verbrauch Pelletheizung ............................................................ 25
Tabelle 12: Erzeugte Holzgasanteile in Abhängigkeit des zugeführten
Vergasungsmittels .................................................................... 33
Tabelle 13: Datenblatt Spanner Holzkraft-Anlage ........................................ 37
IV

̇
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Fläche des äußeren Bauelementes (bzw. Bauelementanteils) in [m²]
Schichtdicke der Einzelschichten
Temperatur-Korrekturfaktor für den Innenbereich
Temperaturkorrekturfaktor an verschiedene äußere Umgebungsbereiche,
Norm-Wärmeverlust [W]
Norm-Transmissionswärmeverlust des Raumes [W]
Norm-Lüftungswärmeverlust des Raumes [W]
Wärmeleitfähigkeit der Einzelschichten
Mindestluftwechselzahl [1/h]
Wärmeübergangswiderstand der Einzelschichten
äußerer Wärmeübergangswiderstand
innerer Wärmeübergangswiderstand
Summe der äußeren Bauelemente des Raumes
Norm-Außentemperatur
Temperatur des Grundwassers
Norm-Innentemperatur des Raumes
Temperatur des Wassers im Modul
korrigierter Wärmedurchgangskoeffizient des äußeren Bauelementes in
[W/(m²⋅K)]
Raumvolumen [m³]
hygienisch erforderlicher Mindest-Luftvolumenstrom des Raumes in
[m³/h]
V

1. Projekt- und Anlagenbeschreibung
1. Projekt- und Anlagenbeschreibung
Die Fischaufzucht Drellborg GmbH und Co. KG betreibt seit Mai 2010 die Aufzucht
des Edelfisches Zander. Der Edelfisch wird in einer modularen Aufzuchtanlage der
Firma „F & M Anlagenbau GmbH“ gemästet. Die Warmwasser-Kreislaufanlage bestehend
aus zehn Zuchtmodulen steht in speziell dafür umgebautem Stallgebäude.
Abbildung 1: Aufzuchtanlage der F&M Anlagenbau GmbH
Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
- Rundbecken 1 und 2 im Parallelbetrieb (12,0 m³ und 13,0 m³)
- Trommelfilter
- Feststoffaustrag
- Tropfkörperklärbehälter
- Pumpensumpf
- Sauerstoffeintrag
Technische Daten:
- Wasservolumen 27 m³
- Pumpenleistung: 2 x 17 m³
- Behälterhöhe: 2,20 m
- Flächenbedarf/Modul: 55 m²
- Fischproduktion 2 – 6 t (je nach Fischart)
- Energiebedarf: 0,9 kWh/h
Um dem Zander optimale Zuchtbedingungen bieten zu können, benötigt es eine
Wasserqualität auf gleich bleibend hohem Niveau sowie eine Wassertemperatur von
22°C. Dafür muss die Hallenluft auf 26°C erwärmt werden. Dies geschieht über an
der Decke angebrachte Wärmetauscher.
6

0.
Bisher wurde die dafür nötige Wärme kostenlos durch eine benachbarte Biogasanlage
bereitgestellt. Seit diese jedoch insolvent ist, wird die Halle behelfsmäßig mit
dieselbetriebenen Heizlüftern erwärmt.
Das Projektziel besteht darin, für die Fischaufzucht den Bedarf an Wärme und
elektrischer Energie zu ermitteln, den möglichen Einsatz adäquater Heizungssysteme
zu definieren wie auch die gut geeigneten Systeme kritisch zu beurteilen.
7

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
2. Bestimmung des Wärmebedarfs
2.1 Wahl des angemessenen Berechnungsverfahrens
Die Bemessung von Wärmeerzeugern beheizter Gebäude wird allgemein mit Hilfe
der DIN EN 12831 „Heizlast für Raumheizung“ und der DIN 4708 „Heizlast für
Warmwasser“ berechnet.
Die Normheizlast wird berechnet aus den Anteilen für Transmission und Lüftung.
Die Transmissionswärmeverluste enthalten die Wärmeverluste nach außen. Die
Aufgrund von Wärmeleitung durch die umschließenden Flächen sowie den Wärmefluss
zwischen beheizten Räumen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus entstehen.
Die Lüftungswärmeverluste enthalten Wärmeverluste nach außen aufgrund der
Lüftung oder Infiltration durch die Gebäudehülle, sowie den Lüftungswärmestrom
zwischen einzelnen beheizten Räumen innerhalb des Gebäudes.
Die Norm DIN EN 12831 bietet zwei Verfahren zur Bestimmung der Heizlast:
Ein vereinfachtes und ein ausführliches Verfahren.
Wichtige Eigenschaften des ausführlichen Verfahrens sind:
- Verluste an das Erdreich werden ausführlich berechnet
- Wärmebrücken werden für jedes Bauteil längenbezogen berücksichtigt.
- Die Temperaturen für unbeheizte Nachbarräume werden ausführlich anhand
deren Wärmebilanz bestimmt.
- Die Lüftungswärmeverluste werden aufgrund von Windkräften, Lüftungsanlagen
oder anhand des Mindestluftwechsels errechnet.
Das vereinfachte Verfahren gilt unter bestimmten, vereinfachten Voraussetzungen,
die unten genannt werden.
Der Wärmeleistungsbedarf für die Trinkwarmwasserbereitung nach DIN 4708 hängt
von der Nutzung des Gebäudes und der damit verknüpften Anforderungen an den
Warmwasserkomfort (Wohnbau, Bürogebäude oder Hotels …) sowie der eingesetzten
Systemtechnik (mit oder ohne Wasserbevorratung im Speicher) ab.
Da bei der Berechnung des Wärmeleistungsbedarfs der Referenzanlage die Trinkwarmwasserbereitung
nicht erforderlich ist, wird die spätere Berechnung hinsichtlich
des ständigen Frischwassersanteils überschlägig bewertet.
8

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
2.2 Vereinfachte Berechnungsverfahren
Beim vereinfachten Berechnungsverfahren werden grundsätzlich nur die Außenwände
des Gebäudes betrachtet. Transmissionswärmeverluste innerhalb des Gebäudes
(z.B.: ein Badezimmer mit der Innentemperatur
gibt Wärme an
ein Zimmer mit
ab) werden dabei vernachlässigt.
2.3 Norm-Wärmeverlust
Der Norm-Wärmeverlust eines Raumes ergibt sich aus dem Norm-
Transmissions-wärmeverlust und dem Norm-Lüftungswärmeverlust.
Der Norm-Wärmeverlust eines Raumes
wird mithilfe der Gleichung 2.1 bestimmt:
( ) ⋅ (2.1)
Der Temperatur-Korrekturfaktor für den Innenbereich berücksichtigt den Temperaturunterschied
zu den Nachbarräumen und wird für das vereinfachte Berechnungsverfahren
nicht benötigt.
2.3.1 Norm-Transmissionswärmeverlust
Bei dem vereinfachten Verfahren werden bei der Ermittlung des Norm-
Transmissions-Wärmeverlustes nur die äußeren Bauelemente (z. B. Außenwände,
Außentüren, Außenfenster) berücksichtigt. Als äußere Umgebung gelten hierbei
auch unbeheizte Räume. Die Transmissionswärmeverluste entstehen durch den
Wärmedurchgang durch diese äußeren Bauelemente.
Der Norm-Transmissionswärmeverlust eines Raumes
wird mithilfe der Gleichung
2.2 bestimmt:
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ( ) (2.2)
9

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 1: Temperaturkorrekturfaktor f k für Wärmeverluste an verschiedene
Umgebungsbereiche nach außen [1]
Wärmeverlust
direkt nach außen
an einen unbeheizten Raum
an das Erdreich oder an eine
angrenzende Gebäudeeinheit
über das Dach oder über die
aufgeständerte Bodenplatte
an ein angrenzendes Gebäude
1,00
1,40
1,00
0,80
1,12
0,30
0,42
0,90
1,26
0,50
0,70
wenn Wärmebrücken gedämmt sind
wenn Wärmebrücken nicht gedämmt sind
Fenster und Türen
wenn Wärmebrücken gedämmt sind
wenn Wärmebrücken nicht gedämmt sind
wenn Wärmebrücken gedämmt sind
wenn Wärmebrücken nicht gedämmt sind
wenn Wärmebrücken gedämmt sind
wenn Wärmebrücken nicht gedämmt sind
wenn Wärmebrücken gedämmt sind
wenn Wärmebrücken nicht gedämmt sind
2.3.1.1 Temperaturkorrekturfaktor
Die Wärmeverluste für Bauteile, die nicht an Außenluft grenzen, werden mit einem
Temperaturkorrekturfaktor (Tabelle 1) bewertet.
2.3.1.2 Korrigierter Wärmedurchgangskoeffizient
Zur Ermittlung des Norm-Transmissionswärmeverlustes wird mit dem korrigierten
Wärmedurchgangskoeffizient gerechnet. Im vereinfachten Verfahren wird zum
gerechneten oder angegebenen U-Wert der äußeren Bauelemente generell ein
Wärmebrückenzuschlag von 0,1 W/(m²K) (siehe Gleichung 2.3) addiert.
(2.3)
10

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Abbildung 2: Beispiel Wandaufbau [2]
2.3.1.3 Berechnung des U-Wertes
Der Wärmedurchgangskoeffizient kennzeichnet die thermische Qualität von
Bauteilen und wird mit Hilfe der Gleichung 2.4 berechnet.
(2.4)
Der Wärmeübergangswiderstand der Einzelschichten wird mit Hilfe der Gleichung
2.5 berechnet.
(2.5)
11

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 2: Norm-Innentemperaturen [1]
lfd.
Nr.
1
2
Raumart
Wohn- und Schlafräume, Büroräume, Sitzungszimmer,
Ausstellungsräume, Haupttreppenräume, Schalterhallen,
Hotelzimmer, Verkaufsräume und Läden
allgemein, Theater- und Konzerträume, WC-Räume
Bade- und Duschräume, Bäder, Umkleideräume, Untersuchungszimmer
(generell jede Nutzung für den
unbekleideten Bereich)
Norm-
Innentemperatur
[°C]
+ 20
+24
3 Beheizte Nebenräume (Flure, Treppenhäuser) +15
4
Unbeheizte Nebenräume (Keller, Treppenhäuser,
Abstellräume)
+10
2.3.1.4 Norm-Innentemperatur
Die Norm-Innentemperaturen der einzelnen Räume sind je nach Raumart und Nutzung
festgelegt. Die Norm-Innentemperatur wird mithilfe der Tabelle 2 bestimmt.
12

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Abbildung 3: Klimazonen in Deutschland [3]
2.3.1.5 Norm-Außentemperatur
Die Norm-Außentemperatur wird benötigt, um die Wärmeverluste an die äußere
Umgebung zu berechnen. Die Norm-Außentemperatur wird mithilfe einer Klimazonenkarte
(Abbildung 3) bestimmt.
13

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 3: Mindestluftwechselzahl η min [1]
Raumart
Mindestluftwechsel
[h -1 ]
in
bewohnbarer Raum (Standardfall) 0,5
bewohnbarer Raum (Fenster gekippt) 1,0
Badezimmer mit Fenster (Badezimmer
ohne Fenster sollten mit Lüftungsanlage
gerechnet werden)
1,5
Büroraum 1,0
Besprechungsraum, Schulzimmer 2,0
Schwimmhalle 3,0
̇
̇
̇
2.3.2 Norm-Lüftungswärmeverlust
Der Norm-Lüftungswärmeverlust eines Raumes wird mithilfe der Gleichung 2.6
bestimmt:
⋅ ⋅ ( ) (2.6)
Dabei ist:
0,34 Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte der Luft in
[Wh/(m³K)] das Produkt wird hier vereinfacht als konstant angenohmen
Die angegebene Gleichung ermittelt folglich die erforderliche Wärmemenge zur
Aufheizung der von außen einströmenden, kalten Luft.
2.3.3 Mindest- Luftvolumenstrom
Der Mindest-Luftvolumenstrom eines Raumes wird mithilfe der Gleichung 2.7
bestimmt:
⋅ (2.7)
Die Mindestluftwechselzahl
wird Mithilfe der Tabelle 3 bestimmt.
14

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
2.4 Energieaufwandberechnung zur Wassererwärmung
Der benötigte Wärmestrom für die Erwärmung des Wassers wird mit der Gleichung
2.8 bestimmt:
̇ ̇ ⋅ ⋅ (2.8)
2.5 Heizlastermittlung
2.5.1 Erfassung aller relevanten Werte der Referenzanlage
Die für die Berechnung notwendigen Werte wie die Norm-Außentemperatur
Temperaturkorrekturfaktor
werden aus den vorher behandelten Kapiteln entnommen.
und
Die Ermittlung: der Flächen , der Wärmedurchgangskoeffizienten einzelner
Bauteilen sowie Raumvolumen und Mindestluftwechselzahl findet in unten aufgeführten
Tabellen stat.
Restliche Werte werden aus der Anlagenbeschreibung entnommen:
Die Frischwasserzufuhr beträgt pro Tag 10 % des gesamten Wasservolumens im
System. Dies entspricht einem Massenstrom von 0,312 kg/s.
Das Frischwasser wird aus einer Tiefe von 70 m mit einer Temperatur von etwa
10 °C dem Systemwasser beigefügt.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung von einer konstanten spezifischen
Wärmekapazität von 4,2 kJ/(kgK) bei 10°C ausgegangen.
15

Bauteil
Orientieru
ng
Anzahl
Höhe /
Breite
Länge
Bruttoflächen
Abzugsfläche
Nettofläche
Zusammenfassung
2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 4: Flächen A k einzelner Bauteile
AW-Außenwände
N/S
n h / b l ABrutto AAbzug ANetto Ak
m m²
2 2,25 20,20 90,90 16 74,9
1 4,05 20,20 81,81 - 81,81
AW-Außenwände W/O 2 2,25 32,25 142,88 27,5 117,63
274,34
AF-Außenfenster W/S 5 1 1 5 - 5 5,00
AT-Außentüre W/S 2 2 1 4 - 4 4,00
ATT-Außentore
S/O
3 2,5 3 22,5 - 22,5
1 4 3 12 - 12
34,50
DA-Dachflächen W/O 2 10,88 32,25 701,76 - 701,76 701,76
FB-Fußboden
(Betonplatte) 1 20,20 32,25 651,45 266,93 384,52
FBM-Fußboden
(Betonplatte
+Moduldämung)
10 3,25 2,80 91 - 91
20 2,80 π 175,93 - 175,93
384,52
266,93
16

Formel
Bauteil
innerer Wärmeübergangswiderstand
Schichtdicke
der Einzelschichten
Wärmeleitfähigkeit
der Einzelschichten
äußerer Wärmeübergangswiderstand
Wärmedurchgangskoeffizient
2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 5: Wärmedurchgangskoeffizienten U k,B.Teil
Rsi
dn
Rse
[m²K/W]
[m]
[W/mK]
[m²K/W] [W/m²K]
AW-Außenwände U-Wert gegeben 0,320
AF-Außenfenster Wärmeschutzglas 2-fach (typisch) 2,55
AT-Außentüre U-Wert Kunststoffhaustüren (typisch) 1,500
ATT-Außentore U-Wert Hallentor (typisch) 1,500
DA- Dachflächen U-Wert gegeben 0,320
FB-
(Betonplatte)
Fußboden
0,170 0,250 2,300 0,000 3,588
FBM-Fußboden
(Betonplatte
+Moduldämung)
0,170
0,250
+0,05
2,300
0,032
0,000 0,54
17

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 6: Raumvolumen
Auf der Wandhöhen-
Ebene
Höhe Breite Länge Raumvolumen
m m³
2,25 20,20 32,25 1465,76
Auf der Satteldach-Ebene 4,05 10,10 32,25 1319,19
Modulwasser - - - -270
Summe 2514,95
Tabelle 7: Mindestluftwechselzahl
Raumart Mindestluftwechsel in [h -1 ]
bewohnbarer Raum (Standardfall) 0,5
bewohnbarer Raum (Fenster
gekippt)
Badezimmer mit Fenster
(Badezimmer ohne Fenster sollten
mit Lüftungsanlage gerechnet
werden)
1,0
1,5
Büroraum 1,0
Besprechungsraum, Schulzimmer 2,0
Schwimmhalle 3,0
18

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 8: Heizlastberechnung
Bauteil
Wärmeverlust
f k
A k
[m²]
U k
[W/m²K]
∆ U WB
[W/m²K]
(θ int,i - θ e )
[K]
Φ T,k
[W]
Bezeichnung
AW nach außen 1,00 274,34 0,32 0,10 36,00 4.148,02 AW - Außenwände
AF nach außen 1,00 5,00 2,55 0,10 36,00 477,00 AF - Außenfenster
AT nach außen 1,00 4,00 1,50 0,10 36,00 230,40 AT - Außentüren
ATor nach außen 1,00 34,50 1,50 0,10 36,00 1.987,20 ATor - Außentore
DA nach außen 0,90 701,76 0,32 0,10 36,00 9.549,55 DA- Dachflächen
FBB an das Erdreich 0,42 384,52 3,59 0,10 36,00 21.453,45
FBB - Fußboden
Betonplatte
FBM an das Erdreich 0,30 266,93 0,54 0,10 32,00 1.640,02
FBM -Fußboden
unter Modulen
ΦT,ü Summe aller Transmissionswärmeverluste
39.485,64
ΦV,ü Summe Lüftungsverluste ⋅ ⋅
30.782,97
QW Wärmestrom für die Wassererwärmung ⋅ ⋅ 15.750,00
Φü Summe Heizlast gesamtes Gebäude und Wassererwärmung
86.018,61
ΦT,ü - Überschlägiger
Transmissionswärme
bedarf
ΦT,ü - Überschlägiger
Lüftungswärmebedar
f
ΦW - Wärmemenge
des erwärmten
Wassers
Φü - Überschlägige
gesamte Heizlast
2.5.2 Heizlastberechnung nach DIN EN 12831
Unter Verwendung der Gleichungen für Transmissionswärmeverluste, Lüftungsverluste
und Wärmestrom für die Wassererwärmung wird überschlägig die Summe für
Heizlast und Wassererwärmung ermittelt (Tabelle 8). Das ist die gesamte Wärmeenergie,
die im Winter bei - 10°C Außentemperatur benötigt wird. Um die vorgegebenen
Parameter wie Raumlufttemperatur von 26°C und Beckenwassertemperatur
von 22°C unter Berücksichtigung der vorhandenen Gebäudekenndaten (Tabelle 4-
7) zu gewährleisten.
19

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
2.5.3 Mögliche Optimierungsmaßnahmen
Verbesserung des Wärmeschutzes
Die aus der Heizlastberechnung durch die blanke Bodenplatte ermittelten
Transmissionswärmeverluste, können mit einer 6 cm dicken Holzfaserdämplatte bis
zu 80% reduziert werden.
Wärmerückgewinnung
Verwendung einer Lüftungsanlage mit Luft-Luft-Wärmetauscher
Moderne Wärmerückgewinnungsanlagen können aus der Abluft des Gebäudes bis
zu 90% der Wärme über den Wärmetauscher zurückgewinnen. Zusätzlich besteht
die Möglichkeit die Zuluft durch ein im Erdreich verlegtes Rohr zu leiten. Dabei
erwärmt sich die Zuluft im Winter und wird im Sommer etwas abgekühlt. Dieser
Erdwärmetauscher bringt zusätzliche Einsparungen der Lüftungswärmeverluste. Nur
eine sehr gute Wärmerückgewinnung spart auch wirklich Energie. Nach Institut für
Gebäudeenergie und Bauphysik sollte der Rückgewinnungsgrad 75% überschreiten
und die spezifische Leistung für den Antrieb sollte dabei unter 1,5 kW/(m³/s) liegen.
Wärmerückgewinnung aus Abwasser mit Wasser-Wasser-Wärmetauscher
Nach der vorhergegangenen Berechnung beträgt die Wärmeleistung für die
Wassererwärmung ungefähr 16 kW. Diese Leistung kann bei der Nutzung eines
Wärmetauschers je nach Wirkungsgrad des Wärmetauschers zurückgewohnen
werden.
20

2. Bestimmung des Wärmebedarfs
Tabelle 9: Heizlastberechnung nach Optimierung
Bauteil
Wärmeverlust
f k
A k
[m²]
U k
[W/m²K]
∆ U WB
[W/m²K]
(θ int,i - θ e )
[K]
Φ T,k
[W]
Bezeichnung
AW nach außen 1,00 274,34 0,32 0,10 36,00 4.148,02 AW - Außenwände
AF nach außen 1,00 5,00 2,55 0,10 36,00 477,00 AF - Außenfenster
AT nach außen 1,00 4,00 1,50 0,10 36,00 230,40 AT - Außentüren
ATor nach außen 1,00 34,50 1,50 0,10 36,00 1.987,20 ATor - Außentore
DA nach außen 0,90 701,76 0,32 0,10 36,00 9.549,55 DA- Dachflächen
FBB an das Erdreich 0,42 384,52 0,57 0,10 36,00 3.895,34
FBM an das Erdreich 0,30 266,93 0,54 0,10 32,00 1.640,02
FBB - Fußboden
Betonplatte
FBM -Fußboden
unter Modulen
ΦT,ü Summe aller Transmissionswärmeverluste
21.927,53
ΦV,ü Summe Lüftungsverluste ⋅ ⋅ ⋅
7.695,00
QW Wärmestrom für die Wassererwärmung ⋅ ⋅ 7.875,00
Φü Summe Heizlast gesamtes Gebäude und Wassererwärmung
37.497,53
ΦT,ü - Überschlägiger
Transmissionswärme
bedarf
ΦT,ü - Überschlägiger
Lüftungswärmebedar
f
ΦW - Wärmemenge
des erwärmten
Wassers
Φü - Überschlägige
gesamte Heizlast
2.5.4 Berechnung des zu erwartenden Wärmeenergieeinsparpotenzials
nach Optimierung der Gebäudeenergieeffizienz
Die Berechnung erfolgt mit folgenden Werten:
für die Bodenplatte mit verbessertem Wärmeschutz
für den Wirkungsgrad des Luft-Luft-Wärmetauscher
für den Wirkungsgrad des Wasser-Wasser-Wärmetauschers
21

3. Konventionelle Heizsysteme
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
Bedarf mit abgeschätzter solarer Einstrahlung [kWh]
Abbildung 4: Jahresdauerlinie
3. Konventionelle Heizsysteme
3.1 Dimensionierung des Heizungssystems
An der Jahresdauerlinie ist zu erkennen, dass der Energiebedarf im Januar, mit
53322 kWh, am größten ist. Daraus ergibt sich mit Gleichung 4.1 eine Nennleistung
des Heizungssystem von mindestens 71,67 kW
(3.1)
3.1.1 Gasheizung
Bei einer Gasheizung wird ein Gas direkt im Brennraum verbrannt und die Wärme
wird über Wärmetauscher an ein Heizungssystem übergeben. Gasheizungen sind
22

3. Konventionelle Heizsysteme
wartungsfreundlich und brauchen sehr wenig Raum. Die häufigste Form des
Brennstoffes ist Erdgas, daher wird dieser auch für das Referenzsystem verwendet.
Daten Referenzsystem [4]:
η= 0,96
H-Gas mit einem H u von 10,4 .
Mit den in Abbildung 3 dargestellten Werten ergibt sich über die Gleichung 4.2 ein in
Tabelle 10 dargestellter monatlicher Verbrauch. Im gesamten Jahr werden
39265 m 3 Erdgas für den Betrieb einer konventionellen Gasheizung benötigt.
⋅
(3.2)
Tabelle 10: Gasverbrauch
Monat
Gas[m³]
Januar 5341
Februar 4816
März 4570
April 4363
Mai 3552
Juni 0
Juli 0
August 0
September 2835
Oktober 4089
November 4497
Dezember 5202
Jahressumme 39265
23

3. Konventionelle Heizsysteme
3.1.2 Pelletofen
Eine vollautomatische Pelletheizung befördert die Pellets, meist über ein Schnecken-
oder Saugsystem, in den Brennraum. Hier wird elektrische Energie genutzt
um die Verbrennung einzuleiten. Die Verbrennungsenergie wird an einen Wärmetauscher
übergeben. Die Abgase werden über einen Ventilator nach außen befördert.
Die Pelletheizung benötigt neben dem Ventilator und der Zündenergie eine periodische
Versorgung mit Brennstoff was zu einem Bedarf von P el führt. Da der Bedarf
an elektrischer Energie stark System abhängig ist, wird er hier nicht berücksichtigt.
Pro Kg Pellets fallen bei optimaler Verbrennung >0,5% - 3% Asche [5], je nach
Pelletqualität an, die entsorgt werden müssen. Es wird ein trockener Lagerraum für
die Pellets in der Nähe der Anlage benötigt. Es sind zudem Anlagen verfügbar die
mit Pellets und Rohholz(Hackschnitzel) betrieben werden können.
˙Q
Verlust / Anlage
˙Q
Verlust / Abgas
ṁ H u
Pellets
P el
Pelletofen
˙Q
Heiz
Abbildung 5: Leistungsbilanz einer Pelletheizung
24

3. Konventionelle Heizsysteme
Daten Referenzsystem [4]:
η= 0,9
(http://www.ecotec-energiesparhaus.de/Daten/InHo-Pelletheizungen-
Technik-und-bauliche-Anforderungen.pdf )
H u = 4,8 k W h
k g
Mit den in Abbildung 3 dargestellten Werten ergibt sich ein über die Gleichung 4.3
ermittelter monatlicher Verbrauch (Tabelle 11). Im Jahr verbraucht eine Pelletheizung
90747 kg Pellets.
⋅
(3.3)
Tabelle 11: Verbrauch Pelletheizung
Monat
Pellets[Kg]
Januar 12343
Februar 11131
März 10562
April 10083
Mai 8210
Juni 0
Juli 0
August 0
September 6552
Oktober 9451
November 10393
Dezember 12022
Jahressumme 90747
25

3. Konventionelle Heizsysteme
3.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung
Ein Recherche ergab einen Wert von 21431,17 € exkl. Mehrwertsteuer Pro Jahr.
Das ergibt einen Preis von
21431,17 €
Q Heiz
= 5,47 ct
kWh (exkl. Mehrwertsteuer) [6].
Für die Pellets wurde ein Angebot über 21.952,26 € inkl. Mehrwertsteuer(7%) gefunden
[7].
Das ergibt einen Preis von
21.952,26€
Q Heiz
= 5,59 ct
kWh
(inkl. Mehrwertsteuer)
Bei einem Strompreis von 0,25 €/kWh ergeben sich in beiden Fällen Jahreskosten
von 21900 € für die elektrische Energieversorgung.
26

4. BHKW
4. BHKW
4.1 Beschreibung der Rahmenbedingungen
Der Fischzuchtbetrieb Drellborg benötigt im Lauf des Jahres eine große Menge
Energie. Dieser Energiebedarf besteht einerseits aus einer bestimmten Menge Heizenergie,
um die geforderte Raumtemperatur von 26°C zu gewährleisten, aber auch
aus 10 kW elektrischer Leistung für den Betrieb der Zuchtmodule (Herstellerangabe).
Bisher wurde die kostenlose Abwärme einer nahe gelegenen Biogasanlage für
die Beheizung der Halle genutzt und die benötigte elektrische Energie wurde bezahlt.
Da aufgrund der Insolvenz der Biogasanlage ein Heizungssystem installiert
werden muss, könnte ein BHKW eine sinnvolle Investition sein.
Ein BHKW hat gegenüber einem konventionellen Kraftwerk den Vorteil, dass die
Wärme im Abgas für eine Heizung genutzt werden kann. Eine Vorlauftemperatur
von 60-80°C ist für diese Anwendung ausreichend. Auf der anderen Seite sind bei
einem BHKW höhere Investitionskosten als bei einer konventionellen Heizung zu
erwarten. Auch muss ein BHKW mindestens 6500 Stunden im Jahr arbeiten, um
sich zu amortisieren [8].
Bei der Dimensionierung eines BHKW stellt sich zunächst die Frage, ob die Heizoder
die elektrische Leistung die führende Größe sein soll.
Im Allgemeinen werden BHKW wärmegeführt betrieben, so dass die Heizleistung
die verbrauchsorientierte Größe darstellt und die elektrische Energie unter Umständen
extern bezogen werden muss. In dieser Variante werden BHKW so dimensioniert,
dass sie nur einen gewissen Teil der Spitzenlast abdecken. Um die benötigte
Spitzenlast abzufangen, muss ein Spitzenlastkessel bereitgestellt werden. Dieser ist
so zu dimensionieren, dass er bei Ausfall des BHKW mindestens 70% der Spitzenlast
abdecken kann und somit als Reservekessel zur Verfügung steht [8].
Ist ein BHKW elektrisch geführt, so ist die elektrische Leistung die verbrauchsorientierte
Größe. Diese Auslegungsvariante ist in der Regel nur dann sinnvoll, wenn es
ein Konzept zur Nutzung der Abwärme im Sommer gibt.
27

4. BHKW
4.2 Dimensionierung eines BHKW
4.2.1 Bestimmung des monatlichen Heizenergiebedarfs
Um eine Aussage über die Wirtschaftlichkeit eines BHKW treffen zu können, muss
zunächst eine Jahresdauerlinie erstellt werden. Die für die Fischzucht erstellte Jahresdauerlinie
beruht auf Daten, welche dem Bauplan im Anhang entnommen wurden.
Aus den Raumumschließungsflächen , deren U-Werten und Korrekturfaktoren
für die jeweiligen Bauteile wurden zunächst die Transmissionswärmeverluste
mit der Formel
∑ (4.1)
berechnet. Für die Raumtemperatur wurde immer von den geforderten 26°C
ausgegangen. Die Grundlage für die Außentemperatur
Durchschnittstemperaturen der Jahre 2002-2011 [9].
bilden die monatlichen
Die überschlägigen Lüftungswärmeverluste der Halle wurden mit der Gleichung
(4.2)
ermittelt. Die Luftwechselzahl n wurde hier mit
h -1 angenommen. Das Raumvolumen
wurde aus dem Bauplan abgeleitet, die Dichte der Luft wurde mit
und die spezifische Wärmekapazität der Luft wurde mit
J
kg⋅ angenommen.
Neben den Transmissions- und Ventilationsverlusten des Gebäudes stellt noch der
tägliche Wasserwechsel einen erheblichen Wärmeverlust dar. Täglich werden ungefähr
10% des gesamten Wassers durch Frischwasser ersetzt. Bei der Berechnung
der Jahresdauerlinie wird angenommen, dass dieses Frischwasser mit einer Temperatur
von 10°C zugeführt wird. Die hier enthaltenen Wärmeverluste müssen ebenfalls
durch die Heizanlage aufgefangen werden.
kg
m 3
28

4. BHKW
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
Bedarf ohne solare Einstrahlung [kWh]
Bedarf mit abgeschätzter solarer Einstrahlung [kWh]
gelieferte Wärmeenergie BHKW [kWh]
gelieferte Wärmeeergie 2 BHKW [kWh]
Abbildung 6: Monatlicher Heizenergiebedarf und gelieferte Wärme
Die Wärmeverluste durch den Wassertausch wurden mit der Gleichung
̇ ̇ (4.3)
berechnet. Die spezifische Enthalpie des Wassers bei verschiedenen Temperaturen
wurde der Dampftafel [10] entnommen. Der Massenstrom des Wassers lässt sich
aus der Dichte
kg
m
3
und dem Volumenstrom errechnen.
Die Summe der Transmissions- und der Ventilationsverluste, sowie die Verluste
durch die tägliche Frischwasserzufuhr ergeben eine benötigte Heizleistung. Multipliziert
man diese Leistung mit den Heizstunden eines jeden Monats, so erhält man
die benötigte monatliche Heizenergie. Bei der Berechnung der benötigten Heizenergie
wurde davon ausgegangen, dass ab einer Lufttemperatur von 15°C geheizt
29

4. BHKW
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Prozentualer Anteil Dachs einfach
Prozentualer Anteil 2 Dachs im Parallelbetrieb
Abbildung 7: Deckung des Heizenergiebedarfs durch BHKW
werden muss. Die zusätzlichen solaren Effekte wurden in sofern berücksichtigt, als
das die Heizung in den Sommermonaten abgeschaltet ist. Aufgrund der bisherigen
Erfahrung des Betreibers ist es eher nötig, die Halle in diesem Zeitraum zu kühlen
bzw. die Tore zur Klimatisierung dauerhaft zu öffnen. Auf der Basis der im Dokument
„Berechnung BH W Drellborg.xlsx“ durchgeführten Berechnungen ist es möglich,
die zu erwartenden Betriebsstunden eines BHKW abzuschätzen.
4.2.2 Dimensionierung des BHKW
Die Dimensionierung eines BHKW wird hier am Beispiel des BHKW DACHS der
Firma Senertec berechnet, da vom Hersteller bereits ein unverbindliches Angebot
vorliegt. Das BHKW liefert eine Heizleistung von 14,8 kW und eine elektrische Leistung
von 5,5 kW.
Aus Abbildung 4 geht hervor, dass ein BHKW allein durchschnittlich 25% der gesamten
benötigten Heizenergie und etwas mehr als 50% der benötigten elektrischen
30

4. BHKW
Energie liefern kann. Dies würde dazu führen, dass der Spitzenlastkessel permanent
in Betrieb ist und die Hälfte der benötigten elektrischen Leistung von einem externen
Versorger bezogen werden müsste.
Blickt man auf die benötigte elektrische Leistung der Fischzucht, so scheint ein
elektrisch geführtes BHKW eine mögliche Alternative zu sein. Die Zuchtmodule benötigen
eine elektrische Leistung von 10 kW. Zwei BHKW produzieren im Nennbetrieb
11kW el . Mit dieser Leistung ist der gesamte Bedarf der Fischzucht gedeckt. Im
Parallelbetrieb ist das BHKW in der Lage durchschnittlich 41% und bis zu 75% im
September der Heizleistung abzudecken. Zwar würde der Spitzenlastkessel auch in
diesem Fall an Heiztagen permanent betrieben, jedoch muss keine elektrische Leistung
von einem externen Versorger bezogen werden.
Entscheidet man sich für ein elektrisch geführtes BHKW, so muss ebenfalls ein Abwärmekonzept
für die Sommermonate erstellt werden. Wird ein BHKW mit einer
Heizleistung von 29,6 kW betrieben, fallen in den Sommermonaten 66,9 MWh an
überschüssiger Heizenergie an. Diese könnte zum Beispiel zur Trocknung von
Holzhackschnitzeln genutzt werden oder in einem saisonalen Wärmespeicher gespeichert
werden und im Winter genutzt werden.
Alternativ ist es möglich, das BHKW in den Monaten Juni, Juli und August abzuschalten
und während dieser Zeit von einem externen Energieversorger Strom zu
beziehen. Wie sich der Stillstand auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt, wird im Abschnitt
4.3 berechnet. In beiden Fällen kommt das BHKW auf mindestens 6500 Volllaststunden
im Jahr und erfüllt somit die geforderte Mindestlaufzeit [8].
4.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt auf der Basis von Herstellerangaben, dem
selbst berechneten Heizenergiebedarf der Fischzucht und, sofern keine näheren
Angaben erhältlich waren, auf eigenen Annahmen. Die Berechnung der Amortisationszeit
erfolgt aufgrund einer linearen Berechnung. Da die Anlage ausschließlich für
den Eigenverbrauch vorgesehen ist, wird eine Einspeisevergütung im Rahmen des
EEG nicht berücksichtigt.
31

4. BHKW
Betrachtet wird eine Anlage, bestehend aus zwei BHKW-Modulen vom Typ Dachs
und einem Spitzenlastkessel mit einem angenommenen Wirkungsgrad von 85%.
Die gesamten Investitionskosten belaufen sich auf 70000€, wobei 30000 € für jedes
BHKW-Modul (Herstellerangabe) und geschätzte 10000 € für den Spitzenlastkessel
anfallen. Weitere Kosten für die Wärmetauscher in der Halle werden hier nicht weiter
betrachtet, da ein entsprechendes System bereits vorhanden ist. Die Primärenergiekosten
betragen, wie im unverbindlichen Angebot des Herstellers angegeben,
4,4 ct/kWh Gas bzw. 20 ct/kWh elektrich zuzüglich Mehrwertsteuer.
Die Berechnung der jährlichen Betriebskosten für den Dauerbetrieb, bestehend aus
Gasverbrauch und Wartung, ergibt eine Summe von 29790€. Bei einer jährlichen
Ersparnis der osten für die elektrische Leistung von 17520€ ergibt sich einen
Amortisationszeit von 4 Jahren. Da bei Dauerbetrieb in den Sommermonaten überschüssige
Abwärme produziert wird, muss vom Betreiber für ein Abwärmekonzept
gesorgt werden.
Wird das BHKW 6500 Stunden im Jahr betrieben, reduzieren sich die Kosten für
Gas, jedoch müssen zusätzlich 4520 € für die in den Sommermonaten benötigte
elektrische Leistung berücksichtigt werden. In diesem Fall beläuft sich die Ersparnis
der Stromkosten auf 13000 €, was zu einer Amortisationszeit von 5,5 Jahren führt.
32

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
5.1 Beschreibung des vorliegenden Prozesses
Neben der klassischen Verbrennung kann die zugeführte Biomasse in Form von
Holzhackschnitzeln vor der eigentlich Nutzung in einen Sekundärenergieträger umgewandelt
werden; abgesehen von der sowohl räumlichen als auch zeitlichen Trennung
der einzelnen Umwandlungsprozesse entspricht dieser Prozess generell der
klassischen Verbrennung, da bei der Umwandlung in Nutzenergie der Sekundärenergieträger
vollständig oxidiert wird. Das aus dem Vergasungsprozess entstehende
Produkt hat während der Zeit verschiedene Namen erhalten. Neben dem Begriff
„Holzgas“, welcher in diesem apitel aufgrund des Bezuges zum Primärenergieträger
Holz in Form von Holzhackschnitzeln genutzt werden wird, finden sich in der
herrschenden Literatur noch die Bezeichnungen „Produktgas“, „Schwachgas“(, welches
auf den geringen Brennwert des Gasgemischs zurückzuführen ist), Generatorgas
sowie, falls eine weitere Umwandlung zum Beispiel in Methan vorgesehen ist,
„Synthesegas“.
Während des Prozesses wird dem Reaktor ein Oxidations- oder Vergasungsmittel
zugeführt um den im Holz enthaltenen Kohlenstoff in eine gasförmige Verbindung zu
überführen. Mögliche Oxidations- oder Vergasungsmittel sind nach [17] mit dem
Ausgangsmittel Kohlenstoff:
Tabelle 12: Erzeugte Holzgasanteile in Abhängigkeit des zugeführten Vergasungsmittels
[11]
Oxidations- oder Vergasungsmittel
Sauerstoff (0,5 O 2 )
Wasserdampf H 2 O
Kohlenstoffdioxid CO 2
Wasserstoff 2 H 2
Luft (21% O 2 , 79% N 2
Produktgas
CO
CO + H 2
2 CO
CH 4
CO + N 2
33

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
Das auf diese Weise erzeugte Holzgas setzt sich durchschnittlich wie folgt zusammen:
Durchschnittliche Zusammensetzung
Holzgas
Wasserstoff
20%
Kohlendioxid
13%
Methan
2%
Kohlenmonoxid
20%
Stickstoff
45%
Abbildung 8: Durchschnittliche Zusammensetzung Holzgas [12]
Im Folgenden werden die einzelnen Verbrennungsvorgänge, welche je nach Bauart
des Reaktors voneinander unabhängig oder teilweise parallel ablaufen, beschrieben.
Zur vorherigen Übersicht soll das folgende Schaubild Abbildung 9 dienen.
Trocknung
• Wärmezufuhr
• 100-200°C
• Wasserdampf & trockene
Biomasse
Pyrolyse
• Wärmezufuhr
• 150-500°C
• flüchtige
Pyrolyseprodukte
& Kohlenstoff
Oxidation
• Sauerstoffzufuhr
• 500-2000°C
• Abgas
Reduktion
• Wärmezufuhr
• 800-1100°C
• Produktgas
Abbildung 9: Übersicht der im Holzvergaser stattfindenden Vorgänge [11]
34

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
5.1.1 Aufheizung und Trocknung
Vor dem Prozess fand bereits eine Lufttrocknung des Festbrennstoffes Holz statt,
sodass der enthaltene Wasseranteil bereits auf ungefähr 20% reduziert worden ist.
In einem Temperaturbereich von 100–200 °C wird dieser letzte in der Biomasse
enthaltene Wasseranteil, welcher nicht chemisch gebunden ist verdampft. Im Gasgemisch
des Reaktors findet sich demnach also ein größerer Anteil Wasserdampf.
5.1.2 Pyrolytische Zersetzung
Bei der pyrolytischen Zersetzung in einem Temperaturbereich von 150–500 °C und
unter Luftabschluss werden die Makromoleküle des Holzes, hauptsächlich Cellulose
und Lignin [12], pyrolytisch zersetzt und das chemisch gebundene Wasser ausgetrieben.
Dabei entstehen gasförmige langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle sowie Pyrolyseöle
und Koks. Das bei diesem auch als Verkohlung bezeichneten Prozess erhaltene
Zwischenprodukt wird als Schwelgas bezeichnet.
5.1.3 Oxidation
Im Vorgang der Oxidation reagieren die entstandenen Produkte aller Aggregatszustände
unter weiterer Wärmeeinwirkung mit durch Unterdruck zugeführter Luft zu
kleineren gasförmigen Molekülen wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Wasser(dampf),
Kohlendioxid sowie Methan.
Durch eine Teil- sowie vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs laufen partiell folgende
Reaktionen im Reaktor ab:
C + O 2 → CO 2 , ΔH = -395,5 kJ/mol (5.1)
C + 0,5 O 2 → CO, ΔH = -123,1 kJ/mol (5.2)
Diese beiden Reaktionen verlaufen exotherm, es wird also Wärmeenergie frei; diese
Energie kann im Reaktor selbst die nötige Wärme für die Trocknung sowie die pyrolytische
Zersetzung liefern.
35

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
5.1.4 Reduktion
In diesem Schritt wird der Hauptanteil der brennbaren Gase des Holzgases durch
Reduktion der vorliegenden Produkte aus den vorherigen Schritten erzeugt. Es finden
die Boudouard-Reaktion (5.3) sowie die heterogene Wassergas-Reaktion (5.4)
statt.
C + CO 2 → 2 CO, ΔH = 159,9 kJ/mol (5.3)
C + H 2 O → CO + H 2 , ΔH = 118,5 kJ/mol (5.4)
Für diese Reaktion wird Energie benötigt, sie laufen also endotherm ab; mit der
Temperaturerhöhung sowie der Wandlung vom festen Aggregatzustand des Kohlenstoffs
in gasförmige Produkte geht eine große Volumenänderung einher [11, 13,
14].
36

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
Tabelle 13: Datenblatt Spanner Holzkraft-Anlage [15]
Produktbezeichnung HK 30 HK 45
Elektrische Leistung 30 kW 45 kW
Thermische Leistung 80 kW 120 kW
Hackschnitzel-Verbrauch 30 kg/h 45 kg/h
Hackschnitzel-Verbrauch
bei 6.000 Betriebsstunden
180 t
700 – 1.150 SRM
270 t
1.000 – 1.750 RSM
Maximaler Feuchtegehalt 15%
Maximaler Feinanteil
(Körnung:

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
In den Berechnungen wurde zur Beachtung dieser Schwankungen von einem Energiegehalt
der Hackschnitzel von 2,8 kWh pro Kilogramm Holzhackschnitzel statt
dem Höchstwert bei hoher Qualität von 3,8 kWh pro Kilogramm ausgegangen. In
den Berechnungen ergab sich aufgrund dessen ein Korrekturfaktor von 1,2 für den
stündlichen Holzhackschnitzelverbrauch, welcher in den darauffolgenden Rechnungen
zu einer stündlichen Menge von 35,7 Kilogramm führte.
5.2.2 Mögliche Anlage unter Berücksichtigung der benötigten Heizleistung
In der dargestellten Tabelle 13 sind die beiden möglichen Anlagentypen des Unternehmens
Spanner Re 2 mit den jeweiligen Anlagendaten dargestellt. Die Auswahl
der Anlage erfolgte über den Fall einer minimalen Temperatur von -10°C, für diesen
Fall wird aufgrund der auftretenden Verluste durch Transmission und Ventilation eine
Heizleistung von ungefähr 86 kW benötigt.
Da dieser Fall in den Breitengraden des Aufstellungs- sowie Nutzungsortes nur selten
eintritt, wird im Folgenden mit einem Blockheizkraftwerk gerechnet, welches eine
maximale Heizleistung von 80 kW bereitstellen kann, die Auswahl fiel deshalb
auf die Anlage Spanner HK 30
Die Anlage soll bei der vorliegenden Situation wärmegeführt arbeiten, da ein großer
Bedarf an Wärme besteht und die Anlage den Zweck der vorrangigen Wärmebereitstellung
erfüllen soll.
Im Folgenden ist nun die jährliche Auslastung zu berechnen, um anschließend eine
plausible Wirtschaftlichkeitsberechnung durchführen zu können.
Nach Angaben des Herstellers lohnt sich eine derartige Anlage mit Holzvergasung
ab einer jährlichen Laufzeit von 5000 h [16].
In dieser Ausarbeitung wird von einem durchgehenden Betrieb abzüglich der Zeiten
für Wartung und Instandhaltung sowie der Sommermonate, in welchen das Beheizen
der Becken entfällt, ausgegangen.
Wie und in welchem Umfang dann ein Betrieb der Anlage möglich beziehungsweise
wirtschaftlich ist, wird im Folgenden geprüft.
38

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
5.2.3 Anforderungen an mögliche weitere Komponenten
Für die Nutzung der durch das Blockheizkraftwerk entstehenden Abwärme im
Sommer muss eine Lösung gefunden werden, da in diesem Zeitraum kein Heizbedarf
besteht.
Es müssen also wie bei einer elektrisch geführten Anlage verschiedene Punkte beachtet
werden.
Die Abwärme muss möglichst sinnvoll genutzt werden: Möglichkeit dafür wäre eine
Brennstofftrocknung durch die nicht zum Heizen benötigte Wärme.
Wird die Abwärme für die Brennstofftrocknung genutzt, so sind Überlegungen über
eine geeignete (Vorrats-) Lagerung für die Monate mit Heizlast anzustellen. Dabei
sind ins besonders die hygroskopischen Eigenschaften des Holzes zu beachten,
welche starke Auswirkungen auf die Lagerungslösungen haben, da es bei mangelnder
Trocknung zu hygienisch bedenklicher Schimmelbildung sowie einem Verlust
durch holzzersetzende Pilze kommen kann.
Des Weiteren muss eine Entscheidung über die Form des zu trocknenden Holzes
fallen. Die Lagerung in ungehackter Form ist platzsparend, jedoch muss vor der
Vergasung eine Zerhäckselung stattfinden; dies erfordert weitere Geräte und somit
weitere Investitionen. Werden frische Hackschnitzel gelagert, so kann es zu Selbstentzündung
des Gutes durch die exotherme Zersetzung von im Holz enthaltenen
Harzen, Fette, Proteinen, Aminosäuren und Stärken kommen [17].
Eine mögliche Problemlösung wäre der Ankauf von Holzhackschnitzeln im Bereich
von 20-40% Wassergehalt um diese mit überschüssiger Wärme zu trocknen, da unter
30% Wassergehalt die Schimmelbildung im unproblematischen Bereich ist;
eventuelles Umschütten wird trotzdem aus Sicherheitsgründen wohl sinnvoll sein.
5.2.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung
In diesem Kapitel erfolgt eine kurze Wirtschaftlichkeitsrechnung auf Basis der Herstellerangaben.
Da diese Berechnungen für Kunden zu Verkaufszwecken besonders
in Angaben zum Verbrauch teilweise optimierten Bedingungen unterworfen
worden sind, werden in dieser Berechnung durch Korrekturfaktoren realistische sowie
selbst berechnete Werte genutzt. Dabei werden die Investitionskosten, Einspeise-
/Selbstnutzungsvergütungen sowie die anfallenden Kosten durch Brennstoff und
die eingesparten Energiemengen wirtschaftlich berücksichtigt.
39

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
Für die Brennstofflieferung wird unter Beachtung geringer Kohlenstoffdioxidausstöße
durch Transport sowie Logistik und Aufwand auf einen regionalen Anbieter zurückgegriffen.
Die größte Einnahmequelle durch die Holzkraftanlage ist die durch das EEG garantierte
Vergütung für den eingespeisten Strom. Im Folgenden wird mit den im EEG
angegebenen Werten für Biomassekraftwerke gerechnet. Zurzeit wird in diesem eine
Grundvergütung pro erzeugte Kilowattstunde elektrischer Energie mit 14,3 Cent
angegeben [18]. Zu dieser Grundvergütung für die Erzeugung von Strom aus Biomasse
wird je nach eingesetzten Brennstoffen ein Bonus pro erzeugte elektrische
Kilowattstunde ausgezahlt. Da Holzhackschnitzel unter die Einsatzstoffvergütungsklasse
I fallen, gilt ein Bonus von 6 Cent pro erzeugte elektrische Kilowattstunde,
statt der für die Einsatzstoffvergütungsklasse II vorgesehenen 8 Cent [19].
Um für diese Vergütung in Frage zu kommen, wird diese an weitere Bedingungen
geknüpft.
Diese Bedingungen werden im Folgenden ohne nähere Erklärung nach [20] aufgelistet:
– Führen eines Einsatzstofftagebuchs [21]
– Methanemissionen während der Aufbereitung unter 0,2 %
– Stromverbrauch für die Gasaufbereitung unter 0,5 kW pro Normkubikmeter
Rohgas
– Prozesswärme nur durch den Einsatz der Biomasse (ohne den Einsatz fossiler
Energieträger)
– Nennleistung der Gasaufbereitungsanlage unter 1400 Normkubikmetern
Rohgases pro Stunde
Für die jährliche Betriebsstundenanzahl der Anlage wurde auf die Berechnungen
der Heizlast aus Kapitel 2 zurückgegriffen. In sämtlichen Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit
wurde also von einem jährlichen Betrieb von 6480 Stunden ausgegangen
1 .
Der stündliche Holzverbrauch der Anlage ergab sich zu 35,7 Kilogramm pro Betriebsstunde,
was einer Abweichung zu den Herstellerangaben von +19% entspricht.
1 Siehe Tabellenblatt „Berechnung der Heizlast“
40

5. Blockheizkraftwerk mit Holzvergaser
Da für die Zanderzucht vorrangig Wärme für den Erhalt der Fischbeckentemperaturen
benötigt wird, fällt eine gewisse Menge elektrischer Energie an, welche einerseits
dazu genutzt werden könnte um den Eigenbedarf einer Leistung von 10 kW zu
genügen. Es entsteht ein Überschuss von 107700 kWh elektrisch , welche mit der geltenden
Vergütung einem Umsatz von + 21.600€ entsprechen.
Da in den beiden Monaten Januar und Februar bedingt durch die jeweilig vorherrschende
Witterung und einer zeitlichen Verschiebung der Wärmeerzeugung die
Holzkraftanlage nicht die benötigte Leistung bereitstellen kann, muss für diese Zeit
eine Übergangslösung gefunden werden. Die Leistung einer solchen zusätzlichen
Anlage muss im Bereich bis 2 kW liegen; aufgrund des geringen Wertes wäre eine
völlige Überdimensionierung der Anlage mit der Wahl der Spanner HK 45 nicht wirtschaftlich.
Es entsteht aber ebenso ein Überschuss an Wärmeenergie von 280416 kWh thermisch ;
für diese nicht genutzte Energie muss eine geeignete Nutzungsmöglichkeit vom Betreiber
gefunden werden.
Es ergeben sich nach den Berechnungen 2 der jährlichen Betriebskosten durch
Hackschnitzelverbrauch und Wartung Kosten von 30.736,03 €. Verrechnet man diese
mit den jährlichen Einnahmen von 21863,1 € durch die Einspeisung elektrischer
Leistung ins Stromnetz, so ergeben sich jährliche Betriebskosten in Höhe von
8.873 €. Bei der Beachtung einer Ersparnis von 12.960 € Stromkosten und 15.876 €
Wärmekosten pro Jahr ergibt sich somit eine Amortisationszeit der Anlage von ungefähr
10 Jahren.
5.3 Berechnungen der CO 2 -Bilanz im Betrieb
Der Einsatz von Holz als Brennstoff ist in Hinblick auf die CO 2 -Bilanz des Heizsystems
hat einen deutlich positiven Effekt. Da nur Holz für die Verbrennung genutzt
wird, kommt nur das zuvor durch das Wachstum der Biomasse gebundene CO 2
wieder zurück in die Atmosphäre gegeben. Dies würde im natürlichen Lebensraum
des Waldes durch Verrotten der Biomasse ohnehin geschehen.
Bei einem derzeit durchschnittlich herrschenden Wert von 544 Gramm pro erzeugte
elektrische Kilowattstunde, werden bei der Nutzung dieser Holzkraftanlage ungefähr
37,38 Tonnen CO 2 eingespart [22].
2 Siehe Tabellenblatt „Wirtschaftlichkeitsberechnung Holzkraftanlage“
41

Jahr 1
Jahr 2
Jahr 3
Jahr 4
Jahr 5
Jahr 6
Jahr 7
Jahr 8
Jahr 9
Jahr 10
Jahr 11
Jahr 12
Jahr 13
Jahr 14
Jahr 15
Jahr 16
Jahr 17
Jahr 18
Jahr 19
Jahr 20
6. Fazit
840.000,00 €
740.000,00 €
640.000,00 €
540.000,00 €
440.000,00 €
340.000,00 €
240.000,00 €
140.000,00 €
Gasheizung
Pelletheizung
BHKW Dachs (8760
Betriebsstunden)
BHKW Dachs (6500
Betriebsstunden)
Spanner Holzkraft-Anlage
40.000,00 €
Abbildung 10: Kumulierte Kosten über 20 Jahre
6. Fazit
Für das abschließende Fazit werden die kumulierten Kosten der einzelnen Anlagen
über einen Zeitraum von 20 Jahren betrachtet. Als Basis dienen die in den Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
bestimmten Kosten für den Gasverbrauch, die von einem
externen Versorger bezogene elektrische Leistung, die geschätzten Wartungskosten
(5% der Investitionssumme) und die abgeschätzten Investitionskosten der
verschiedenen Systeme. Um die Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten, wird
ein Einkaufspreis von 20 ct/kWh (zzgl. Mwst.) für die elektrische Leistung angenommen.
Nach einer Laufzeit von 20 Jahren ergeben sich für die Gas- und die Pelletheizung
ähnliche Kosten. Die gesamten Betriebskosten der konventionellen Gasheizung betragen
ungefähr 799000 €. Durch die Verwendung einer Pelletheizung betragen die
Ersparnisse nach 20 Jahren ungefähr 1%. Die Betriebskosten für ein BHKW belaufen
sich im gleichen Zeitraum auf 665800 € bei 8760 Betriebsstunden bzw.
673900 € bei 6500 Betriebsstunden. Die ostenersparnis gegenüber einer konven-
42

6. Fazit
tionellen Gasheizung liegt hier aufgrund der selbst erzeugten elektrischen Leistung
bei 16 bzw.17%.
Die Holzkraft-Anlage der Firma Spanner stellt in dieser Betrachtung einen Sonderfall
dar. Aufgrund der Leistung dieses Systems werden nicht nur Kosten für die benötigte
elektrische Leistung eingespart, es ist zusätzlich im Rahmen des EEG möglich
Einnahmen zu generieren. Verrechnet man diese Einnahmen mit den Kosten für
Holzhackschnitzel und Wartung, so ergeben sich jährliche Betriebskosten von
8.873 €. Diese im Vergleich zu den anderen Heizungssystemen geringen laufenden
osten sind der Grund für die mit 330.000 € deutlich niedrigeren kumulierten osten
nach 20 Jahren. Was eine Kostenersparnis von 59% zu Pelletheizung bewirkt.
Aufgrund der in Abbildung 10 dargestellten Kostenentwicklung lässt sich sagen,
dass sich der Betrieb einer Pelletheizung lohnt, wenn die Preise für Gas in den
nächsten Jahren stärker als die Preise für Pellets steigen. Ein BHKW bringt über einen
Zeitraum von 20 Jahren eine gewisse Kostenersparnis, dem stehen jedoch
deutlich höhere Investitionskosten gegenüber. Fällt eine Entscheidung zugunsten
einer Anlage von der Größe der Holzkraft-Anlage der Firma Spanner, ist aufgrund
der Verrechnung der Erlöse durch die Einspeisevergütung mit den Betriebskosten
eine deutliche Kostensenkung möglich, jedoch muss fünfzehnfache Investitionssumme,
verglichen mit einer konventionellen Gasheizung, finanziert werden.
43

6. Fazit
Erklärung der Verfasser
Hiermit versichern wir, dass wir diese schriftliche Ausarbeitung selbstständig verfasst
und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt haben.
Die Stellen unserer Arbeit, die dem Wortlaut oder dem Sinne nach anderen
Werken und Quellen, einschließlich Quellen aus dem Internet, entnommen sind, haben
wir in jedem Fall unter Angabe der Quelle deutlich als Entlehnung kenntlich
gemacht. Dasselbe gilt sinngemäß für Tabellen, Karten und Abbildungen.
Wolf Hayo Schleevoigt
Eduard Stricker
Jan Frederik Braatz
Moritz Oldörp
44

Anhang
Anhang
Bauplan der Anlage:
VI

Literaturverzeichnis
[1] Bundesindustrieverband Heizungs-, Klima-, Sanitärtechnik, Technische Gebäudesysteme:
Berechnung der Normheizlast nach DIN EN 12831, Beiblatt
1. Beuth, Berlin (2005)
[2] Hayner M., Ruoff J., Thiel D.: Faustformel Gebäudetechnik: für Architekten.
Deutsche Verlags-Anstalt, München (2010)
[3] Klimazonen in Deutschland, http://www.bosy-online.de/Klimazonen.htm
[4] Pech, A., Jens, K.:Heizung und Kühlung, Bd. 15.Springer-Verlag, Wien
(2005), 5. Auflage
[5] DIN EN 51731
[6] www.gas-infos.com, abgerufen am 15. Juli 2013
[7] www.heizpellets24.de, abgerufen am 15. Juli 2013
[8] Zahoransky, Richard A.: Energietechnik, Systeme zur Energieumwandlung,
Kompaktwissen für Studium und Beruf. Vieweg, Wiesbaden (2007), 3.,
überarb. und aktualisierte Auflage,
[9] Deutscher Wetterdienst, Abteilung Klima- und Umweltberatung: Vorläufige
Gradtagzahlen für ausgewählte Orte in Deutschland. 2012
[10] Boltendahl, U., Best, P.: Tafeln der thermodynamischen Eigenschaften von
Wasser und Wasserdampf von 0-800 °C und 0,01-1000 bar. Fachhochschule
Flensburg, Flensburg (2001), 5. Auflage
[11] Kaltschmitt, T. et al.: Energie aus Biomasse. Springer Verlag, Berlin (2009);
Kapitel 11.1
[12] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe: Analyse und Evaluierung der thermochemischen
Vergasung von Biomasse. Landwirtschaftsverlag, Münster
(2006)
[13] BioPower Development: BHKW Grundlagen Holzvergaser. http:\\www.biopower.com\vergaser.html,
Aufruf am 14. Mai 2013
[14] Wesselak, V. et al.: Regenerative Energietechnik. Springer Verlag, Berlin,
Heidelberg (2009)
[15] Spanner Re² Strom und Wärme aus Holz: Spanner Holz-Kraft®-Anlagen
Datenblatt
[16] Email von Gorch Krantz, Spanner Re² Holz-Kraft Strom und Wärme
GmbH, 14.05.2013

[17] Geitmann, S.: Erneuerbare Energien – Mit neuer Energie in die Zukunft.
Hydrogeit-Verlag, Oberkrämer (2010)
[18] Bundesministerium für Justiz: Das Erneuerbare Energien Gesetz §27 Abs.
1.1 Grundvergütung für Biomasse, http://www.gesetze-iminternet.de/eeg_2009/__27.html,
Aufruf am 14.05.2013
[19] Bundesministerium für Justiz: Das Erneuerbare Energien Gesetz §27 Abs.
2.1.a Vergütungsbonus für Einsatzstoffklassen, http://www.gesetze-iminternet.de/eeg_2009/__27.html,
Aufruf am 14.05.2013
[20] Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz:
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz, Daten und Fakten zur Biomasse – Die
Novelle 2012, Seite 16, Berlin (2012)
[21] Bundesministerium für Justiz: Das Erneuerbare Energien Gesetz §27 Abs. 5
Vergütungsansprüche für Biomasse, http:\\www.gesetze-im –
internet.de\eeg_2009\_27.html, Aufruf am 14. Mai 2013
[22] Bundesumweltamt: Daten zur Umwelt, http://www.umweltbundesamtdaten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/theme.do?nodeIdent=3604,
Aufruf
am 14. Mai 2013
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